CC BY
95
• 7universum.com
M, UNIVERSUM:
/Y\ ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ
БИОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РИЗОБАКТЕРИЙ И РАСТЕНИЙ
Мельничук Татьяна Николаевна
канд. с.-х. наук, старший научный сотрудник, заместитель директора по научной работе Института сельского хозяйства Крыма, РФ, Республика Крым, г. Симферополь E-mail: melnichuk7@mail. ru
Пархоменко Татьяна Юрьевна
канд. с.-х. наук, старший научный сотрудник, ученый секретарь Института сельского хозяйства Крыма,
РФ, Республика Крым, г. Симферополь E-mail: tat.parkhomenko@rambler. ru
Лолойко Александр Анатольевич
зав. лабораторией Института сельского хозяйства Крыма,
РФ, Республика Крым, г. Симферополь E-mail: [email protected]
Каменева Ирина Алексеевна
канд. с.-х. наук,
зав. отделом Института сельского хозяйства Крыма, РФ, Республика Крым, г. Симферополь E-mail: [email protected]
Биохимические аспекты взаимодействия ризобактерий и растений //
Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. Мельничук Т.Н. [и др.]. 2014. № 7 (7) : http://7universum.com/ru/nature/archive/item/1429
BIOCHEMICAL ASPECTS OF THE INTERACTION OF RHIZOBACTERIA STRAINS AND PLANTS
Melnichuk Tatyana
Candidate of agricultural sciences, senior researcher, Depute director in science work of Institute of agriculture of Crimea, Russia, Republic Crimea, Simferopol
Parkhomenko Tatyana
Candidate of agricultural sciences, senior researcher, Science secretary of Institute of agriculture of Crimea, Russia, Republic Crimea, Simferopol
Loloyko Alexandr
Chief of laboratory of Institute of agriculture of Crimea, Russia, Republic Crimea, Simferopol
Kameneva Irina
Candidate of agricultural sciences, chief of department of Institute of agriculture of Crimea, Russia, Republic Crimea, Simferopol
АННОТАЦИЯ
Установлены различия в способности штаммов Azotobacter vinelandii 10702, Enterobacter nimipressuralis 32-3, Paenibacillus polymyxa П и Rhizobium radiobacter 10 колонизировать разные части корня томата и капусты. Исследовано методом ГХ-МС наличие жирных кислот в культуральной жидкости штаммов бактерий и корневых экссудатах овощных растений. Штаммы отличались по количественному и компонентному составу жирных кислот. Более богатыми по содержанию жирных кислот были экссудаты корней томата, которые обеспечили лучшую приживаемость бактерий.
ABSTRACT
It has been established the differences in the ability of strains of A. vinelandii 10702, E. nimipressuralis 32-3, P. polymyxa P and R. radiobacter 10 to colonize different parts of the root tomato and cabbage. It has been investigated by the GC-MS — method presence of fatty acids in culture broth of strains of bacteria of root exudates and vegetable plants. Between the strains are differences by quantitative and component composition of fatty acids. Richer in content of fatty acids were exudates of tomato roots and provide a better survival rate of bacteria.
Ключевые слова: штаммы бактерий, овощные растения, корень, колонизация, жирные кислоты.
Keywords: bacterial strains, vegetable plants, root, colonization, fattyacids.
Важную роль в природе играют процессы фотосинтеза и азотфиксации, выполнение которых обеспечивается симбиозами растений и микроорганизмов. Фотосинтез обогащает атмосферу кислородом и органической массой всех нуждающихся в этом. Количество органического вещества, ежегодно производимое растениями, составляет примерно 1000 млрд. т [1, с. 4]. Часть продуктов фотосинтеза, которая не включена в конструктивный метаболизм, выводится в виде корневых экссудатов. Их количество составляет около 20 % от ассимилированной растением энергии [7, с. 167], что может быть сопоставимо с урожайностью сельскохозяйственных растений, так как в перерасчете на сухое вещество составляет 0.3—7.2 т/га [3, с. 47].
Известно, что эпифитные микроорганизмы способны колонизировать различные части растения. Исследования состава микробных сообществ ризосферы огурца, в зависимости от возраста растения и морфологии корня, показали, что быстрорастущие микроорганизмы локализируются на кончике корня, где и скорость потребления экссудатов была наивысшей, в то время как медленнорастущие микроорганизмы были сконцентрированы в базальной части корня и, соответственно, снижалась интенсивность потребления корневых выделений [6, с. 586]. Проведенные нами исследования в гнотобиотических условия выявили отличия в способности колонизировать филлосферу и корень томата, капусты и огурца различными по функциональной активности штаммами — биоагентами бактериальных препаратов [2, с. 284].
Важную роль в обменных процессах между клетками и окружающей средой играют липиды, которые являются источником энергии и структурными компонентами клеточных мембран. Необходимой структурной и функциональной составляющей молекулы любого класса липидов являются
жирные кислоты, которые обладают различной биологической активностью и участвуют в адаптации организма к условиям окружающей среды.
Цель нашей работы состояла в изучении способности штаммов — биоагентов бактериальных препаратов — колонизировать базальную часть (ближе к корневой шейке) и кончик корня томата, капусты и огурца, а также наличия жирных кислот в культуральной жидкости штаммов и в корневых экссудатах.
Для исследований были отобраны штаммы бактерий с разной доминирующей функцией: азотфиксация — Azotobacter vinelandii 10702, фосфатмобилизация — Enterobacter nimipressuralis 32-3, антагонизм к фитопатогенам — Paenibacillus polymyxa П, на основе которых разработаны соответствующие биопрепараты: азотобактерин, фосфоэнтерин и биополицид. В качестве референтного штамма использовался Rhizobiumradiobacter 10 — биоагент препарата агрофил, рекомендованного для выращивания овощных культур.
Методом хромато-масс-спектрометрии (ГХ-МС) анализировали наличие жирных кислот в культуральной жидкости штаммов бактерий и корневых экссудатах овощных растений. Двухсуточную культуру штаммов смывали с пробирок 5 мл дистиллированной воды. Полученную суспензию после взбалтывания на качалке 20 мин при 220 оборотов/мин центрифугировали 20 мин при 6000 оборотов/мин. Экссудат, или надосадочную жидкость
3 3
(V=20 см ), переливали в разделительную воронку (V=250 см), затем
-5
добавляли гексан (V=100 см ), тщательно перемешивая смесь. Гексановый слой отделяли и переливали в испарительную колбу ротационного испарителя. Экстракцию гексаном проводили три раза, полученные экстракты объединяли в испарительной колбе. Объединенный гексановый экстракт упаривали на ротационном испарителе до V=1 см , отгон растворителя проводили
Л
при t=40°C и остаточном давлении P = -1 кгс/м . Затем, подготавливая параллельные пробы, гексановый экстракт разливали в парфюмерные пробирки
-5
объемом по 0.5 см каждая. Из гексанового экстракта направленной струей
азота испаряли растворитель и к полученному осадку добавляли 1 см3 метилирующего агента (Supelco 3-3033) — 14 % раствор трихлорида бора (BCl3) в метаноле (СН3ОН) [5, с. 1171]. Полученные пробы анализировали методом хромато-масс-спектрометрии с целью определения содержания в них метиловых эфиров жирных кислот. Хромато-масс-спектрограммы получены на газовом хроматографе Agilent Technologies 6890N с квадрупольным масс-селективным детектором (масс-спектрометром) Agilent 5973 N. Электронная ионизация проводилась при 70 eV в ранжировании масс m/z от 29 до 450. Качественный анализ проводили путем сравнения линейных индексов удержания и полных масс-спектров компонентов пробы с соответственными данными для чистых веществ и данными специализированной библиотеки NISTOS и WILEY 2007 с общим количеством спектров более 470 000 и программами для идентификации AMDIS и NIST. Количественное содержание компонентов в пробе в % рассчитывали методом внутреннего нормирования.
Особенности колонизации овощных растений биоагентами микробных препаратов определяли с помощью разработанного методического подхода, который позволяет при выращивании растений в условиях гнотобиотических систем получать кончик корня, свободный от субстрата [4, с. 314]. Обладая верхушечным ростом, кончик корня механически ничего не выносит из субстрата на своей поверхности, кроме ассоциативных микроорганизмов, способных его активно заселять.
Сравнение количества микроорганизмов, выросших на базальной части и на кончике корня томата, показало, что количество клеток штамма E. nimipressuralis 32-3 на кончике корня было больше в 3,4 раза, чем на его базальной части, и составила 1040,0±136,0х106 КУО/1 г (табл. 1). Аналогичные тенденции наблюдали и на штамме R. radiobacter 10 — превышение было в 7,6 раза, а количество клеток на кончике корня составило 1804,0±1,0х106 КУО/1г. Исключение составили штаммы: A. vinelandii 10702, количество которого в обоих образцах было на одном уровне, и P. polymyxa П,
на кончике корня его количество было в три раза меньше (28±0,1х106 КУО/1 г), чем на базальной части.
Таблица 1.
Способность штаммов колонизировать корни Brassica capitata var. alba Lizg. и Licopersicon esculentum Mill., в гнотобиотических условиях
Вариант опыта Количество бактерий, х 106 КОЕ I растение
томат капуста
Базальная часть Кончик корня Базальная часть Кончик корня
Azotobacter vinelandii 10702 0,25 і 0,0 0,25 і 0,10 0,71 і 0,0 0,70 і 0,10
Rhizobium radiobacter 10 236,0 і 0,15 1804,0 і 1,0 51,9 і 6,70 6,1 і 0,18
Enterobacter nimipressuralis 32-3 304,0 і 3,17 1040,0 і 136,0 54,0 і 0,05 54,0 і 0,01
Paenibacillus polymyxa П 99,0 і 0,14 28,0 і0,1 0,97 і 0 0,97 і 0,01
Примечание: КОЕ — колониеобразующая единица.
На корнях томата — более благоприятные условия для развития большого количества микроорганизмов, чем на корнях капусты. Более богатыми по компонентному составу и количественному содержанию жирных кислот были также экссудаты корней томата (16 жирных кислот представлены в порядке уменьшения их количества (от 1697 до 9 мкг/мл): пальмитиновая, олеиновая, миристиновая, линолевая, пальмитолеиновая, стеариновая, пентадекановая, лауриновая, арахиновая, маргариновая, 12-метил-3-декановая, каприловая, пеларгоновая, линоленовая, каприновая и ундециловая) (рис. 1).
Рисунок 1. Содержание жирных кислот в корневых экссудатах растений, мкг/см3
Большинство из перечисленных жирных кислот выявлено и у исследуемых штаммов. 12-метил-3-декановая кислота не обнаружена ни у одного из штаммов. У штаммов Р. ро1утуха П и Е. тт1рге88игаИ8 32-3зафиксировано 14 (не найдено арахиновой) жирных кислот, отличавшихся только их количеством (рис. 2). У штамма А. у1пв1ап&1 10702 не обнаружено линоленовой кислоты, в то же время выявлены арахиновая и бегеновая.
Среди штаммов отличался Я. га&оЪа^вг 10, где количество жирных кислот было выше, а также наличием в культуральной жидкости бегеновой и лигноцериновой и отсутствием ундециловой и пентадекановой кислоты. Этот штамм, так же как и Е. тт1рге88игаИ8 32-3, проявили высокую колонизационную способность в филлосфере растений томата и корнях капусты.
1
Рисунок 2. Количество жирных кислот (мкг/см ) в культуральной жидкости штаммов бактерий
Таким образом, установлены различия в способности штаммов A. vinelandii 10702, E. nimipressuralis 32-3, P. polymyxa П и R.radiobacter 10 колонизировать разные части корня томата и капусты. Проведенные исследования указывают на отличия в качественном и количественном составе жирных кислот
как экссудатов растений, так и штаммов бактерий — биоагентов микробных препаратов, что может быть одним из факторов активизации колонизационной способности штаммов к определенному виду растений.
Список литературы:
1. Патика В.П., Омелянець Т.Г., Гриник І.В. та ін. Екологія мікроорганізмів. — К.: Основа, 2007. — 192 с.
2. Патика В.П., Шерстобоєв М.К., Татарин Л.М. та ін. Активізація
продуктивної системи мікроорганізм-рослина в овочівництві //
Сільськогосподарська мікробіологія: здобутки і перспективи: зб. наук. праць. — Чернігів, 2011. — с. 282—288.
3. Пида С.В. Кореневі виділення: хімічний склад, значення в алелопатії та перспективи використання / С.В. Пида, С.П. Машковська // Агроекол. журнал. — 2003. — № 3. — с. 47—51.
4. Шерстобоев Н.К., Мельничук Т.Н. Методологический подход к изучению ассоциативных микроорганизмов // Вестник Одесского национального университета. — 2005. — Т. 10. — Вып. 7. — с. 311—315.
5. Carrapiso A.I., Garcia C. Development in lipid analysis: some new extraction techniques and in situ transesterification // Lipids. — 2000. — Vol. 35. — № 11. — P. 1167—1177.
6. Folman L.B., Postma J., VanVeen J.A. Ecophysiological characterization of rhizosphere bacterial communities at different root locations and plant developmental stages of cucumber grown on rockwool // Microbial Ecology. — 2001. — Vol. 42. — P. 586—597.
7. Lynch J.M., Bragg E. Microorganism and soil aggregate stability // Adv. Soil Sci. — 1985. — Vol. 2. — P. 133—171.
