CC BY
241
УДК 57.025:57.042
DOI: https://doi.Org/10.25686/2306-2827.2020.3.58
КЛЮЧЕВОЙ СТИМУЛЯТОР РОСТА РАСТЕНИЙ - РИЗОБАКТЕРИИ
Т. З. Ха1, А. В. Канарский1, З. А. Канарская1, А. В. Щербаков2, Е. Н. Щербакова2
1Казанский национальный исследовательский технологический университет (КНИТУ), Российская Федерация, 420015, Казань, ул. Толстого, 8 2ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (ВНИИСХМ), Российская Федерация, 196608, Санкт-Петербург, шоссе Подбельского, 3
Email: alb46@mail.ru
В почве значительная часть бактерий, в том числе ризобактерии, способствующие росту растений (PGPR - Plant Growth-Promoting Rhizobacteria), взаимодействуют с растениями-хозяевами и оказывают положительное влияние на рост и питание растений. Цель данного обзора - обосновать целесообразность применения ризобактерий для стимулирования роста растений и способы их получения в промышленных условиях. В обзоре рассмотрен механизм стимулирования роста растений ризобактериями и влияние условий культивирования на рост и продуцирование метаболитов ризобактериями, в том числе бактериями рода Paenibacillus. Использование прямых и косвенных механизмов стимуляции роста растений ризобактериями позволяет повысить урожайность сельскохозяйственных культур и получить полезные продукты на основе этих растений, такие как биоудобрения, фитостимуляторы, биопестициды. Для интенсификации роста и синтеза метаболитов ризобактериями необходимо учитывать влияние источников углерода и азота, рН среды и температуру культивирования, аэрацию питательной среды. Путём регулирования этих факторов разрабатывают перспективные технологии биопродуктов сельскохозяйственного назначения.
Ключевые слова: ризобактерии; растения; механизм влияния на рост; условия культивирования; стимуляторы роста.
Введение. В ризосфере микроорганизмы играют важную роль в превращениях органических веществ и биогеохимических циклах питательных веществ в растениях. Значительная часть бактерий в почве, и в том числе корневой зоне растений, взаимодействует с растениями-хозяевами и может оказывать положительное влияние на рост и питание растений, и даже подавление болезней [1]. В настоящее время наблюдается тенденция увеличения мирового объёма производства микробиологических удобрений на основе ризобактерий, способствующих росту растений (PGPR - Plant Growth-Promoting Rhizobacteria). Благодаря применению ризобактерий в воспроизводстве сельскохозяйственных растений появля-
ется возможность существенно увеличить урожайность зерновых, бобовых, декоративных растений, овощей, плантационных культур и т. п. [2].
Ризобактерии могут влиять на рост растений различными механизмами: прямыми и косвенными [3]. Прямое воздействие ризобактерий связано с увеличением поглощения питательных веществ растениями, синтезом фитогормонов, сиде-рофоров и ферментов, а также снижением уровня этилена. В ризосфере высокая частота встречаемости бактерий, стимулирующих поглощение питательных веществ корнями растений, представленными такими бактериями, как Azospirillum, Bacillus и Rhizobium [4]. Опосредованное (косвенное) благотворное воздействие
© Ха Т. З., Канарский А. В., Канарская З. А., Щербаков А. В., Щербакова Е. Н., 2020. Для цитирования: Ха Т. З., Канарский А. В., Канарская З. А., Щербаков А. В., Щербакова Е. Н. Ключевой стимулятор роста растений - ризобактерии // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Лес. Экология. Природопользование. 2020. № 3 (47). С. 58-73. DOI: https://doi.Org/10.25686/2306-2827.2020.3.58
этих бактерий вызывает подавление болезней и повышение устойчивости растений к стрессовым факторам [5]. Эти механизмы могут одновременно или последовательно влиять на разных этапах развития растений.
Цель данного обзора - обосновать целесообразность применения ризобакте-рий для стимулирования роста растений и способы их получения в промышленных условиях.
Для достижения данной цели поставлены следующие задачи:
- анализ прямых и косвенных механизмов стимуляции роста растений ризо-бактериями;
- исследование влияния условий культивирования на рост и продуцирование метаболитов ризобактериями, в том числе бактериями рода Paenibacillus.
Прямой механизм положительного влияния PGPR на растения. Фиксация молекулярного азота из атмосферы. Азот (К) является наиболее важным питательным элементом для роста и урожайности растений, его содержание в атмосфере около 78 %. Атмосферный азот химически инертен и может фиксироваться некоторыми бактериями - азотфиксаторами в доступную форму, чтобы усваиваться растениями.
Азотфиксирующие бактерии фиксируют атмосферный азот с помощью фермента нитрогеназы (т/), состоящего из субъединиц - металлопротеинов. Первая субъединица - динитрогеназа содержит активный сайт для связывания азота воздуха и состоит из двух гетеродимеров, кодируемых т/О и т/К генами. Вторая субъединица - редуктаза динитрогеназы содержит в качестве кофактора металл [6].
В процессах нодуляции (образование узелков или клубеньков у растений) происходит:
- взаимодействие ризобиальных с лек-тинами растений-хозяина и привязанностью к клеткам корней;
- под воздействием ризобий корневые волоски скручиваются;
- ризобия проникает в клетки корневых волосков, где образует инфекционные нити, которые переходят в бактериоидное состояние, и далее образуются узелки.
Азотфиксирующие бактерии подразделяют на следующие группы:
• симбиотические бактерии, включая членов семейства ризобиевых, которые усваивают азот атмосферы, только находясь в симбиозе с бобовыми растениями (например, Rhizobia spp.) [7] и нелегуми-ными деревьями (например, Frankia);
• не симбиотические (свободно живущие) бактерии, свободно живущие в почве и усваивающие азот воздуха, такие как циа-нобактерии (АпаЬаепа, Nostoc), Azospirillum, Azotobacter, Gluconoacetobacter diazotro-рЫсш и Azocarus и др. [8].
Однако не симбиотические азотфик-саторы фиксируют лишь небольшое количество азота из атмосферы, менее потребности растения-хозяина в ассоциации «бактерия - растение» [9]. Прямое положительное влияние на растения оказывают симбиотические азотфиксаторы, живущие в клубеньках корней бобовых растений (клубеньковые бактерии), относящиеся к семейству Rhizobiaceae. Корневые узелки образуются при симбиотиче-ской ассоциации бобовых растений с клубеньковыми бактериями, которые снабжают растения соединениями азота в условиях дефицита азота.
В процессе фиксации азота требуется большое количество АТФ, поэтому вместо синтеза гликогена для резерва энергии выгоднее проводить окислительное фос-форилирование углеродов, которое приводит к синтезу АТФ. Делеция (удаление) гена синтеза гликогена проводилась бактериями R. ^орш [10]. Обработка бобов мутантным штаммом бактерий К. ^орш способствовала значительному образованию клубеньков и сухой массы растения по сравнению с результатами, полученными при обработке бобов дикими бактериями этого рода.
Кислород является ингибирующим фактором нитрогеназы и негативным ре-
гулятором экспрессии гена т/, однако, кислород необходим для дыхания бактерий Rhizobia spp. Эта трудность может быть решена путём введения леггемогло-бина (красный пигмент, гемопротеид), который осуществляет необходимую регуляцию распределения кислорода внутри клубеньков. Он связывается с молекулярным кислородом, так что нитрогеназа не ингибируется, но связанный кислород может быть доступным в дыхательных центрах в цитоплазме хозяина. Гем представляет собой железопротопорфирин для этой молекулы, по-видимому, синтезируется бактериями, а глобин - растением-хозяином. Трансформация штаммов кодированием генов бактериального гемоглобина способствует повышению синтеза гемоглобина бактериями Rhizobium spp [11]. Показано, что трансформированный (мутагенный) штамм Rhizobia etli с плаз-мидой, несущей ген гемоглобина грамот-рицательных бактерий Vitreoscilla sp., в условиях низкого уровня растворённого кислорода в среде способствует улучшению частоты дыхания ризобиальных клеток в 2-3 раза больше, по сравнению с частотой дыхания нетрансформированных штаммов бактерий.
В ряде экспериментов в тепличных условиях сравнивались результаты, когда бобовые культуры были инокулированы нетрансформированными и инокулирова-ны гемоглобинсодержащими штаммами К. etli. Инокуляция бобовых растений ге-моглобинсодержащими штаммами К. etli увеличила нитрогеназную активность на 68 %. Это различие в активности нитроге-назы приводит к увеличению содержания азота в листьях на 25-30 % и повышению содержания азота в семенах на 16 % [11].
Таким образом, сегодня в мире вместо минеральных удобрений значительное внимание уделяют применению биоудобрений для повышения содержания азота в почве, что способствует повышению урожайности растений [12]. В работе [13] показано, что биоудобрение на основе сочетания двух видов бактерий Anabaena и
Azolla способствует фиксированию большого количества азота (до 50 кг/га почвы), снижает потери азота путём сокращения улетучивания аммиака из почвы и стимулирует рост риса.
Синтез фитогормонов. Фитогормоны - низкомолекулярные органические вещества, синтезируемые растениями и являющиеся регуляторами роста и развития растений. Наряду с биологической фиксацией азота, стимулирующего рост растений, на кукурузе, пшенице и сахарном тростнике Azospirillum ещё синтезируют ряд фитогормонов, которые способствуют поглощению растениями из почвы фосфора, калия, азота, железа [14]. При низких концентрациях фитогормоны оказывают влияние на биохимические, физиологические и морфологические процессы в растениях и применяются в сельском хозяйстве для повышения урожайности растений. Фитогормоны активно синтезируются в клетках верхушек корней и стеблей растений. Известно, что на развитие растений могут существенно и всесторонне влиять фитогормоны: ауксины, цитокини-ны, гиббереллины, абсцизовая кислота и этилен.
Ауксин является наиболее важным фитогормоном, прямо или косвенно стимулирующим развитие корневой системы растений [15]. К синтезу ауксина способны бактерии из рода Azospirillum, Bacillus, Paenibacillus и Pseudomonas. Среди них наиболее распространённым гормоном в растениях является индол-3-уксусная кислота (ИУК) [16]. Согласно результатам, полученным в работах [17], экзогенные ИУК контролируют большинство процессов развития и роста растений. ИУК в небольшой концентрации может стимулировать удлинение первичного корешка. Высокая концентрация ИУК также способствует увеличению образования корневых волосков и стимулированию образования боковых корней, но не способствует увеличению длины первичного корешка. Благодаря бактериальной ИУК, как площадь поверхности, так и длина корня увеличи-
ваются, доступ питательных веществ в растение повышается.
Гиббереллины участвуют в процессах прорастания семян, индукции цветения, развития цветов, плодов и листьев [18]. Наиболее ярким проявлением физиологического действия гиббереллинов является удлинение побега [19]. Гиббереллины интенсивно синтезируются бактериями рода Acetobacter, Azospirillum, Bacillus, Herbaspirillum и Rhizobium [20]. Установлено, что при обработке растения томата гиббереллином, продуцируемого штаммом LK11 бактерий Sphingomonas sp., рост их значительно увеличивается [21].
Цитокинины стимулируют деление клеток растения, повышают чувствительность сосудистого камбия, а также дифференцирование сосудов и пролиферацию корневых волосков, однако подавляют образование боковых корней и рост первичного корешка [22]. Доказано, что саженцы туи восточной при инкокуляции цитокинином, продуцируемым штаммами Bacillus subtilis, были более устойчивы к стрессу [23].
Этилен, также являющийся важным растительным гормоном, регулирует многие процессы в растениях, в частности, опадание листьев или созревание плодов [24]. Для защиты от действия стрессовых факторов, таких как холода, засухи, обводнение инфекции патогенными микроорганизмами и воздействия тяжёлых металлов, растения синтезирует 1-амино-циклопропан-1-карбоксилат (АЦК), который является предшественником этилена [9]. В стрессовых условиях в растениях синтезируется высокая концентрация этилена [25], что вызывает дефолиацию клеточных процессов, сопровождающую опадением листьев, угнетение роста корня, стебля и преждевременное старение растения, что приводит к снижению урожайности растений [26]. Исследования [27] показали, что PGPR способны продуцировать фермент АЦК-деаминазу, а также фитогормоны ИУК, и этим стимулируют рост растений. Известно, что фер-
мент АЦК-деаминаза в основном участвует в разложении этилена ризобактериями [27]. В исследовании [25] установлено, что бактерии из рода Rhizobium и Pseudomonas, способные продуцировать АЦК-деаминазу, позволяют улучшить рост, физиологию и качества фасоли золотистой в засоленных почвах.
Повышение биодоступности фосфора для растений. Кроме азота, фосфор также является одним из важнейших макроэлементов для роста растений. Однако биодоступность фосфора ограничена и при его недостатке происходит ингибиро-вание развития растения [28]. В почве фосфор присутствует в нерастворимой минеральной форме (апатит, гидроксиапа-тит и оксиапатит) и органической форме (инозитолфосфат (фитат почвы), фосфо-моноэфиры, фосфодиэфиры и фосфотри-эфиры) [29].
Солюбилизация и минерализация фосфора фосфат-солюбилизирующими бактериями считаются одним из наиболее важных признаков, связанных с фосфатным питанием растений в биогеохимическом цикле фосфора в почве [30], а также в стимулировании роста растений ризобактериями [31]. Как правило, солюбили-зация неорганического фосфора происходит под действием низкомолекулярной органической кислоты или фитазы, которые синтезируются различными почвенными бактериями [32]. Показан синтез фермента фитазы бактериями родов Bacillus, Enterobacter, Klebsiella и Pseudomonas [32]. Механизм солюбилиза-ции неорганического фосфора выделяемыми органическими кислотами, такими как уксусная, лимонная, щавелевая, обнаружен у бактерий родов Bacillus, Burkholderia, Erwinia, Paenibacillus, Pseudomonas, Rhizobium и Serratia [33]. При этом гидроксильные и карбоксильные группы этих органических кислот взаимодействуют с фосфатами в почве, что приводит к образованию катионов и подкислению почвы, вследствие чего выделяется растворимый фосфат, доступный
для растений [34]. Следует отметить, что минерализация органических фосфоров происходит под воздействием различных фосфатаз, включая фосфомоноэстеразы, фосфодиэстеразы и фосфотриэстеразы, катализирующих гидролиз сложных эфи-ров фосфорной кислоты [31]. Отмечено, что фосфат-солюбилизация и минерализация могут осуществляться одним и тем же бактериальным штаммом [35]. Помимо обеспечения фосфора для растений, фос-фат-солюбилизирующие бактерии также стимулируют эффективность азотфиса-ции, повышают доступность других микроэлементов (например, железо, цинк) и синтезируют важные стимулирующие рост растений вещества [36]. В ризосфере способность фосфат-солюбилизация играет специфичную роль для конкретного растения-хозяина или типа почвы. Отмечено высокое количество растворимого фосфора, высвобождающегося в известковых почвах [37]. Физиологические свойства ризобактерий определяют эффективность высвобождения растворимого фосфора, а количество высвобождающегося фосфора зависит от количества биомассы этих бактерий в почве, поэтому для решения этой проблемы проводят инокуляцию растений фосфат-солюбили-зирующими бактериями и тем самым увеличивают количество этих бактерий в почве. Для сохранения выживаемости фосфат-солюбилизирующих бактерий в почве в течение длительного времени можно инкапсулировать их клетки в нетоксичных полимерах, например в альги-нате, который позволяет увеличить срок годности бактерий, защитить их от воздействий окружающей среды и обеспечить их постепенное поступление в почву [38]. Наилучшая эффективность в стимулировании роста растений наблюдается при совместной инокуляции фосфат-солюбилизирующих бактерий с бактериями, способными фиксации азота [39] или микоризными грибами [40]. Установлено, что при обработке древостоев мангров смесью азотфиксирующих бактерий
Phyllobacterium sp. и фосфат-солюбили-зирующих бактерий Bacillus licheniformis азотфиксация и фосфат-солюбилизация повышается по сравнению с растениями, обработанными отдельными культурами. Показано взаимное влияние на метаболизм в условиях in vitro при совместной инокуляции двух родов рассматриваемых бактерий. При этом повышаются способность азотфиксации бактерий Phyllobacterium sp. и усиливается высвобождение растворимого фосфора в почве бактериями B. licheniformis [41]. Возможность повышения солюбилизации фосфатов путём применения генетической инженерии некоторых фосфат-солюбили-зирующих бактерий представляет значительный интерес для сельскохозяйственных микробиологов.
Опосредованная (косвенная) стимуляция роста растений. Косвенный механизм предполагает способность PGPR снижать вредное воздействие патогенов на рост растений.
Биоконтроль. Биоконтроль является экологически чистым подходом применения микроорганизмов для борьбы с болезнями растений. Биоконтроль ризобактери-ями (PGPR) роста растений основан на колонизации корней растений ризобактерия-ми, конкуренции за питательные вещества, синтез антибиотиков и литических ферментов, индукцию системной резистентности (ИСР) против патогенов [41].
Колонизация корневой системы и/или конкуренция за питательные вещества PGPR играют важную роль в ризосфере и определяют эффективность биоконтроля. Доказано [42], что бактерии B. megaterium способны колонизировать корни растений и подавить жизнедеятельность патогенного гриба Rhizoctonia solani.
Более того, синтез антибиотиков и ли-тических ферментов ризобактериями является основным механизмом подавления патогенов и опосредованно стимулирует рост растений. Обнаружена способность синтеза противогрибковых метаболитов, в том числе антибиотиков ряда феназинов, пиррол-
нитрин, 2,4-диацетилфлороглюцинол, пио-летеорин, вискозинамид и тензин многими ризобактериями [8], а также возможность синтеза литических ферментов, таких как хитиназа, целлюлаза, ß-1,3-глюканаза, про-теаза и липаза, которые вызывают лизис клеточной стенки фитопатогенных грибов
[43]. В частности, хитиназа считается важным ферментом для подавления фитопато-генных грибов, например Botrytis cinerea
[44], Sclerotium rolfsii [45], Fusarium oxysporum f.sp. cucumerinum [46] и Phytophthora [47]. Фермент ß-глюканаза позволяет разрушить клеточные стенки грибов рода Rhizoctonia solani и рода Pythium ultimum [44, 45].
В растении существуют естественные защитные системы против фитопатогенов, которые повышают устойчивость растений к грибной, бактериальной и вирусной инфекции [48]. Системная приобретённая устойчивость (SAR) и системная индуцированная устойчивость (ISR) являются двумя известными защитными механизмами в растении. При этом системная приобретённая устойчивость возникает, когда растения активируют свой защитный механизм в ответ на первичное заражение патогеном [49]. Системная приобретённая устойчивость сопровождается увеличением концентрации салициловой кислоты и накоплением белков, связанных с патогенезом белков (PR-белка), которые подавляют патогены и защищают растения [50]. Системная индуцированная устойчивость может быть вызвана непатогенными микроорганизмами в ризосфере и не основана на передаче сигналов путём синтеза салициловой кислоты или PR-белка. Однако механизм системной индуцированной устойчивости включает передачу сигналов гормона, регулирующего рост и развитие растений - жасмоната и этилена внутри растения [51]. Помимо жасмоната и этилена, в качестве сигналов ещё включаются другие бактериальные молекулы, такие как О-антиген, являющийся боковой полисахаридной цепью липополисахаридов в наружной мембране
[52], летучие органические соединения, например, бутандиол и ацетоин (ацетил-метилкарбинол, 3 -гидрокси-2-бутанон), высвобождающиеся при анаэробной ферментации [53], циклические липопептиды - поверхностно активные вещества [54].
Стрессовая устойчивость. При исследовании основных метаболических путей ризобактерий установлено, что метаболические процессы связаны с синтезом фито-гормонов в ризосфере растений [55] и индукцией устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам растений [2].
Накопление осмопротектора пролина в растениях позволяет поддерживать потенциал воды в условиях её дефицита и интенсифицирует поглощение воды из почвы [56]. Отмечено [57] влияние ризо-бактерий на накопление пролина в сахарном тростнике. При этом при инокуляции растения ризобактериями и в условиях водного стресса концентрация пролина в листьях в 2,2 раза больше по сравнению с такими растениями в условии отсутствия стресса.
В растениях также происходит синтез ряда антиоксидантных ферментов, таких как каталазы, пероксидазы и супероксид-дисмутазы, участвующих в нейтрализации свободных радикалов [58]. Ризобактерии PGPR в ризосфере могут значительно способствовать синтезу антиоксидантных ферментов в растениях. При инокуляции бактериями Bacillus subtilis в растениях наблюдали увеличение концентрации ан-тиоксидантных ферментов [59]. Инокуляция бактериями B. subtilis в томате показала увеличение активности пероксидазы [60]. Аналогично в кукурузе, инокулиро-ванной бактериями Piriformospora indica, активность каталазы и супероксиддисму-тазы были увеличены, а влияние биотического стресса снижено [61]. Антиоксидан-ты являются нутрицевтическими молекулярными компонентами функциональных продуктов питания, поэтому наличие в пище антиоксидантных ферментов благотворно сказывается на здоровье человека [62].
Накопление экзополисахаридов (ЭПС) как вторичных метаболитов некоторыми бактериями оказывает значительное влияние на различные свойства почвы и урожайность растений. Продуцентами ЭПС являются ризобактерии вида Rhizobium, Pseudomonas, Xanthomonas, Paenibacillus и др. [63]. ЭПС обладают уникальными влагоудерживающими и цементирующими свойствами, поэтому они играют жизненно важную роль в формировании и стабилизации почвенных агрегатов, регулировании питательных веществ и потока воды через корни растений [64], что обусловливает последующее увеличение роста растений. Аналогично, ЭПС защищают нитрогеназы против воздействия высокой концентрации кислорода и участвуют во взаимодействии бактерий с растениями [65]. Бактериальные ЭПС способствуют снижению солевого стресса растений благодаря связыванию ионов Na+ в корне, при этом накопление в растительных клетках ионов Na+ уменьшается [66]. В растениях, посеянных с ЭПС продуцированными бактериями, наблюдали большее накопление пролина, сахаров и свободных аминокислот в условиях дефицита воды [67]. Обрабатывание посевного материала ЭПС продуцированными бактериями Azospirillum показало, что растения более устойчивы к водному стрессу благодаря улучшению структуры и агрегации почвы [68].
Основываясь на механизме действия, можно сделать вывод о применении PGPR в трёх основных биопродуктах сельскохозяйственного назначения:
- биоудобрения, содержащие азот-фиксирующие микроорганизмы и микроорганизмы, увеличивающие доступность фосфора в почве для растений;
- фитостимуляторы, содержащие микроорганизмы со способностью продуцировать фитогормоны;
- биопестициды, содержащие микроорганизмы, способные стимулировать рост растений путём контроля фитопато-генных агентов [8].
Влияние условий культирования на рост и продуцирование метаболитов ри-зобактерий рода Paenibacillus. Типичным родом ризобактерий, выделенным из почвы, является Paenibacillus (ранее Bacillus), которая с 1990 года широко используется в сельском хозяйстве в качестве биологического удобрения. Микробные метаболиты - это низкомолекулярные соединения (молекулярная масса менее 1000 дальтон), образующиеся в результате обмена веществ в организме. В процессе нормальной жизнедеятельности бактерии синтезируют вещества, необходимые для роста микроорганизмов, называемые первичными метаболитами. К ним относятся аминокислоты, органические кислоты, нуклеотиды, витамины, ферменты и др. В отличие от первичных метаболитов, вторичные метаболиты не требуются для нормального роста и развития продуцента [69]. Они играют важную роль в улучшении поглощения доступных питательных веществ микроорганизмами и защиты продуцента от неблагоприятных факторов [70]. Среди наиболее важных для промышленности вторичных метаболитов ризобактерий можно выделить антибиотики, экзополисахариды, фи-тогормоны и т. д.
На продуцирование метаболитов оказывают влияние условия культивирования микроорганизмов. В зависимости от условий окружающей среды, продукты синтезируются по различным метаболическим путям [71]. К факторам окружающей среды, оказывающим влияние на продуцирование метаболитов микроорганизмами, относятся источники углерода и азота, их концентрация, макро-, микроэлементы, температура, рН среды, качество и количество посевного материала и др. [72]. Для эффективности роста и максимального синтеза метаболитов важно, чтобы эти параметры окружающей среды оставались стабильными [73]. Для исследования метаболизма оптимизируют параметры культивирования продуцентов.
Источники углерода. В общем случае углерод является наиболее важным пита-
тельным веществом и источником энергии для роста клеток. В зависимости от источника углерода синтез вторичных метаболитов идёт различными путями [69]. При избытке углерода в среде или в неблагоприятных условиях для роста продуцента происходит синтез микробных полисахаридов, являющихся вторичными метаболитами. Синтез экзополисахаридов бактериями РавтЬасШт начинается с логарифмической фазы и максимален в позднюю стационарную фазу роста бактерий [73]. Наиболее часто используемыми источниками углерода для синтеза ЭПС являются сахара, в частности глюкоза и сахароза [74-77]. Обнаружено, что сахароза является наилучшим субстратом для синтеза экзополисахарида штаммами Р. ро1утуха (ранее В. ро1утуха) КСТС 8648Р [73], Р. ро1утуха Ш-3 [75], Р. в^п В69 [76], Р. ро1утуха ЗВ115 [77]. Внесение сахарозы в среду приводит к высоким выходам ЭПС левана [75]. Исходя из выделения левансукразы вместе с Р-фруктофуранозидазами и инулосукразой с высокой активностью для гидролиза сахарозы, большинство штаммов Р. Ро1утуха способно обеспечить получение высокого выхода ЭПС [73]. Однако высокая стоимость этих источников углерода имеет прямое влияние на себестоимость продукции, что ограничивает рыночный потенциал этих биополимеров, поэтому в промышленных условиях для снижения затрат на производство ЭПС вместо этих дорогих субстратов были использованы отходы или побочные продукты различных отраслей [78].
Показана перспективность использования вторичных ресурсов, в частности порошка хорды кальмара (ПХК) в качестве единственного источника углерода и азота для продуцирования экзополисаха-ридов и антиоксидантов штаммом РавтЬасШт sp. ТКи023. При культивировании на оптимальной питательной среде, содержащей 1,5 % ПХК, 0,1 % К2НРО4 и 0,05 % MgSO4.7H2O, с объёмом жидкости 50 мл в колбе 250 мл при рН
среды 7,23 и температуре 37 °С в течение пяти дней достигается получение высокой продуктивности ЭПС (4,55 г/л). Кроме того, при проведении культивирования в колбах с перегородками показано, что после четырёх дней культивирования в культуральной жидкости достигается высокая концентрация фенола, обладающего антиоксидантной активностью [79].
Побочным продуктом сахарного производства является меласса, наиболее доступный эффективный субстрат как источник углерода. В мелассе присутствует значительное количество сахарозы (до 45 %), которая применяется для синтеза ЭПС бактериями РавтЬасШт [80]. Установлено, что меласса является наиболее эффективным субстратом для синтеза ЭПС бактериями Р. вhimвnsis 739 [81], Р. mucilaginosus РМ13 [82] и Р. mucilaginosus (ранее В. mucilaginosus) ВКМ В 1446Д [83]. Исследование [83] показало, что при содержании в питательной среде мелассы 16 % можно достигать максимального выхода ЭПС 2,83 г/л, что в 1,6 раза больше по сравнению с выходом на питательной среде, приготовленной на основе сахарозы (1,82 г/л).
Мелассу свекловичного жома также рекомендуют использовать в питательных средах в концентрации 2 % при культивировании штамма Р. МЫпо1уЫст для синтеза Р-амилазы. Указывают на целесообразность использовать в качестве источника сахаров свекловичный жом, который предварительно обрабатывают гид-роксидом натрия [84]. Предобработка свекловичного жома щёлочью позволяет разрушить кристаллическую структуру клетчатки, растворить лигнин и последующей промывкой водой разделить клетчатку и лигнин, что обеспечивает эффективность ферментативного гидролиза клетчатки микроорганизмами [85]. Максимальная активность Р-амилазы может достигать 2,3 ед./мл при внесении 3 % свекловичного жома и 10 % инокулята в среде после 83 час. культивирования этого продуцента. Установлен синтез Р-амилазы
P. amylolyticus при твердофазной ферментации на питательной среде из пшеничных отрубей [86] и P. polymyxa NRRL B-367 на питательной среде из кукурузного крахмала с внесением минеральных добавок [87].
Кроме ß-амилазы, свекловичный жом, который предобработан гидроксидом натрия, перспективно использовать для синтеза ксиланазы штаммами
Paenibacillus AR489 и AR247. При культивировании этого штамма на питательной среде, содержащей 1 % обработанного свекловичного жома в течение 96 час., синтезируется ксиланаза, активность которой достигает 1,7 ед./мл [88]. Установлено, что для синтеза ксиланазы штаммом P. campinasensis BL11 экономически целесообразно использовать рисовую шелуху, рисовую солому [89] и ксилан из берёзы штаммом Paenibacillus sp. DG 22 [90], а также другие побочные продукты переработки растительного сырья в качестве источника углерода. Наилучшим источником углерода для синтеза глюкоамилазы штаммом P. amylolyticus NEO03 являются рисовые отруби [91].
Источники азота. Как известно, на синтез продуктов метаболизма микроорганизмами влияют источники азота. В качестве источника азота применяют как неорганические соли, так и органические вещества. Lee и соавт. [73] показали, что наилучшим источником азота для синтеза ЭПС штаммом P. polymyxa KCTC 8648P являются неорганические нитратные соли. С применением неорганической соли (NH4)2HPO4 максимально синтезировалась ксиланаза штаммом Paenibacillus sp.Ni (48,00 ед./мл) [92]. Наблюдалась максимальная активность целлюлазы, синтезируемой штаммом P. terrae ME27-1 при использовании NH4Cl в качестве единственного источника азота с оптимальной концентрацией 3 г/л [93]. Известно, что соли аммония позволяют увеличить скорость роста, улучшить экспрессию белка путём ассимиляции связанных форм аммония с участием ферментов [93].
По сравнению с результатами, полученными при применении неорганических источников азота, показано, что для роста и продуцирования метаболитов с применением органических источников азота наблюдается лучший эффект. Дрожжевой экстракт является наилучшим источником азота для роста и синтеза ЭПС штаммами Р. polymyxa EJS-3 [75], Paenibacillus sp. NBR-10 [94], Р. ро^туха АТСС 21830 [74], Р. polymyxa SQR-21 [95], для синтеза ксиланазы штаммом Paenibacillus sp. DG 22 [90], глюкоамилазы штаммом Р. атуШуйсж NEO03 [91]. Это связано с содержанием в дрожжевом экстракте белков, аминокислот и витаминов, способствующих росту микроорганизмов и их метаболизму. Максимальная активность ксиланазы штамма Р. campinasensis BL11 отмечена при использовании казеина в качестве источника азота [89]. Для синтеза арабинофуранозидазы штаммом Р. polymyxa КБ-1 целесообразно применять соевый шрот как недорогой и эффективный источник азота (14,72 ед./мл) [96].
Влияние рН среды. Значение рН среды также является важным фактором, который может влиять на клеточную мембрану, морфологию и структуру, а также усвоение различных питательных веществ и способность биосинтеза метаболитов. Оптимальное значение рН для синтеза метаболических продуктов бактериями Paenibacillus spp. находится в диапазоне от 6,5 до 7,2 [74, 79, 96, 98]. Rafigh и со-авт. [74] обнаружили, что во время культивирования этих бактерий при увеличении начального значения рН среды с 5,5 до 7,0 наблюдалось увеличение количества синтезируемого ЭПС курдлана и их биомассы на 39,3 и 4,8 % соответственно. Однако высокие значения рН среды (более 8,5) вызывали снижение синтеза ЭПС этими продуцентами. Обнаружено, что рН среды около 7,0 является оптимальным значением не только для роста и синтеза ЭПС на мелассе штаммами Р. polymyxa КСТС 8648Р [73], Paenibacillus ¡р. ТКи023 [79], Paenibacillus ¡р. NBR-10
[95], P. mucilaginosus TKU032 [97]. Установлено, что и для синтеза ферментов целлюлазы штаммом Paenibacillus sp. [99], ксиланазы штаммами P. Campina-sensis BL11 [89], Paenibacillus sp. AR247 [88], арабинофуранозидазы штаммом P. polymyxa KF-1 [97], глюкоамилазы штаммом P. amylolyticus NE003 значение pH около 7 является также оптимальным [91]. Однако некоторые штаммы бактерий Paenibacillus лучше продуцируют продукты метаболизма в слабощелочной среде. Liu и соавт. [75] показали, что максимальное количество синтезируемых ЭПС было достигнуто при рН среды 8 после 60 час. культивирования. По-видимому, это связано со специфическим свойством эпи-фитных бактерий P. polymyxa EJS-3, выделенных из корневых тканей Stemona japonica (Blume) Miquel, которые используют в традиционной китайской медицине.
Влияние температуры культивирования. Отмечено влияние температуры культивирования на рост и синтез метаболических продуктов бактерий Paenibacillus. Rafigh и соавт. [74] обнаружили, что с ростом температуры от 30 до 40 °C выход ЭПС курдлана интенсивно увеличивался. При дальнейшем увеличении температуры от 40 до 50 °C выход ЭПС курдлана только незначительно повышался. Синтез ЭПС курдлана тормозился при температуре 25 °C или выше 50 °C. Оптимальной температурой для синтеза курдлана штаммом Paenibacillus sp. NBR-10 является 35 °C [95]. Однако Liu и соавт. [75] показали, что оптимальная температура для роста и синтеза ЭПС штамма P. polymyxa EJS-3 составляли 27 °C и 24 °C соответственно. По сравнению с другими P. polymyxa EJS-3 лучше синтезируют ЭПС при более низкой температуре.
Целлюлаза лучше синтезируется при температуре 40 °C штаммом Paenibacillus sp. на питательной среде из мелассы [98]. Температура 37 °C является оптимальной для синтеза ксиланазы штаммом P. campinasensis BL11 (11,2 ед./мл) [89] и
глюкоамилазы штаммом Р. атуЫуист Ж003 (242,62 ед./мл) [91]. Синтез ксиланазы уменьшался при снижении температуры культивирования этих бактерий до 25 °С. Максимальная активность араби-нофуранозидазы наблюдалась при температуре культивирования штамма Р. ро1утуха К¥-1 33 °С и снижалась при повышении температуры до 38 °С [96].
Влияние аэрации. Кроме описанных выше факторов, аэрация тоже играет важную роль в жизнедеятельности и продуцировании метаболитов РавтЬасШт spp. [74, 79]. При этом с уменьшением объёма среды концентрация растворённого кислорода повышается при постоянной скорости перемешивания. В связи с этим в колбе вместимостью 250 мл оптимальным объёмом среды для продуцирования ЭПС штаммом РавтЬасШт sp. ТКШ23 является 50 мл [79] и штаммом Р. тасвгат ТКи029 - 100 мл [99]. Обнаружено, что в условии интенсивной аэрации бактерии РавтЬасШт быстро растут и значительно синтезируют их метаболиты. Многие исследователи утверждали, что перемешивание обеспечит улучшение роста и метаболизма микроорганизмов за счёт интенсификации массопереноса кислорода по отношению к субстратам и продуктам [100]. Установлено, что с увеличением скорости перемешивания со 120 до 150 об/мин рост и синтез ЭПС и других метаболитов значительно улучшаются. При перемешивании со скоростью 150 об/мин наблюдался максимальный синтез ЭПС штаммами Р. ро1утуха АТСС 21830 [74] и РавтЬасШт sp. ТКШ23 [79], а также максимально продуцировать целлюлаза штаммом РавтЬасШт sp. СК£1. При скорости перемешивания ниже 120 об/мин выход ЭПС штамма Р. ро1утуха АТСС 21830 уменьшается [74] и при скорости перемешивания ниже 50 об/мин не наблюдался синтез ЭПС штаммом РавтЬасШт sp. ТКШ23 [79], что, по-видимому, связано с ограничением переноса кислорода. При скорости перемешивания 180 об/мин и выше происходит бак-
териальная фрагментация, что снижает выход биомассы и ЭПС курдлана штамма Р. polymyxa АТСС 21830 [74]. Однако некоторые штаммы синтезируют ЭПС при перемешивании со скоростью выше 180 об/мин, например штамм Р. elgii В69 (220 об/мин) [76] и штамм Р. polymyxa EJS-3 (200 мл). [75].
Заключение. Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что ри-зобактерии, в том числе Paenibacillus, способны фиксировать атмосферный азот, синтезировать фитогормоны, антибиотики, ферменты, превращать неорганические фосфоры в доступные формы для
растений, в результате чего стимулируется рост растений и защита их от болезней и других неблагоприятных факторов.
Помимо источника углерода к наиболее значимым факторам, влияющим на метаболизм рассматриваемых бактерий, относятся источники азота, рН среды, температура культивирования и аэрация питательной среды. Интенсификация роста и синтеза метаболитов путём глубинного культивирования бактерий Paenibacillus с регулированием этих факторов перспективна для создания технологии разработки биопродуктов сельскохозяйственного назначения.
Список литературы /References
1. Avis T.J., Gravel V., Antoun H. Tweddell R.J. Multifaceted beneficial effects of rhizosphere microorganisms on plant health and productivity. Soil. Biol. Biochem. 2008. Vol. 40. P. 1733-1740.
2. Kang B.G., Kim W.T., Yun H, Chang S. Use of plant growth-promoting rhizobacteria to control stress responses of plant roots. Plant Biotechnol Rep. 2010. Vol. 4. P. 179-183.
3. Ahemad M., & Kibret M. Mechanisms and applications of plant growth promoting rhizobacteria: current perspective. Journal of King saud University-science. 2014. Vol. 26. № 1. P. 1-20.
4. Van Loon L. C. Plant responses to plant growth-promoting rhizobacteria. In New perspectives and approaches in plant growth-promoting Rhizobac-teria research. Springer, Dordrecht. 2007. P. 243-254.
5. Compant S., Clément C., & Sessitsch A. Plant growth-promoting bacteria in the rhizo-and endosphere of plants: their role, colonization, mechanisms involved and prospects for utilization. Soil Biology and Biochemistry. 2010. Vol. 42. № 5. P. 669-678.
6. Dean D.R., Jacobson R. Biochemical genetics of nitrogenase. In: Stacey G., Burris R.H., Evans H.J. (eds) Biological nitrogen fixation. Chapman and Hall, New York. 1992. P. 763-817.
7. Ahemad M., & Khan M. S. Ecological assessment of biotoxicity of pesticides towards plant growth - promoting activities of pea (Pisum sativum)-specific Rhizobium sp. Strainmrpl. Emirates Journal of Food and Agriculture. 2012. P. 334-343.
8. Bhattacharyya P. N., & Jha D. K. Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR): emergence in agriculture. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2012. Vol. 28. № 4. P. 1327-1350.
9. Glick B. R. Plant growth-promoting bacteria: mechanisms and applications. Scientifica, 2012. Vol. 2012. 15 p.
10.Marroqui' S., Zorreguieta A., Santamaria C., Temprano F., Sobero 'n M., Megi 'as M., Downie J A. Enhanced symbiotic performance by Rhizobium tropici glycogen synthase mutants. J Bacteriol. 2001. Vol. 183. P. 854-864.
11. Rami'rez M., Valderrama B., Arredondo-Peter R., Soberon M., Mora J., Herna'ndez G. Rhizobium etli genetically engineered for the heterologous expression of Vitreoscilla sp. hemoglobin effects on free-living symbiosis. Mol Plant Microbe Interact. 1999. Vol. 12. P. 1008-1015.
12. Bhattacharjee R. B., Singh A., & Mukho-padhyay S. N. Use of nitrogen-fixing bacteria as bio-fertiliser for non-legumes: prospects and challenges. Applied microbiology and biotechnology. 2008. Vol. 80. № 2. P. 199-209.
13. Bhuvaneshwari K., Kumar A. Agronomic potential of the association Azolla-Anabaena. Sci Res Report. 2013. Vol. 3. № 1. P. 78-82.
14. Cohen A. C., Bottini R., & Piccoli P. N. Azospirillum brasilense Sp 245 produces ABA in chemically-defined culture medium and increases ABA content in arabidopsis plants. Plant Growth Regulation. 2008. Vol. 54. № 2. P. 97-103.
15. Tanimoto E. Regulation of root growth by plant hormones—roles for auxin and gibberellin. Critical reviews in plant sciences. 2005. Vol. 24. № 4. P. 249-265.
16. Hayat R., Ali S., Amara U., Khalid R., & Ahmed I. Soil beneficial bacteria and their role in plant growth promotion: a review. Annals of Microbiology, 2010. Vol. 60. № 4. P. 579-598.
17. Spaepen S., Vanderleyden J., Remans R. In-dole-3-acetic acid in microbial and microorganism-plant signaling. In FEMS Microbiology Reviews; Un-den, F., Ed.; Blackwell Publishing Ltd.: New York, NY, USA. 2007. Vol. 83. P. 425-448.
18. Bottini R., Cassán F., & Piccoli P. Gibberel-lin production by bacteria and its involvement in plant growth promotion and yield increase. Applied microbiology and biotechnology. 2004. Vol. 65. № 5. P. 497-503.
19. Spaepen S., & Vanderleyden J. Auxin and plant-microbe interactions. Cold Spring Harbor perspectives in biology. 2011. Vol. 3. № 4. P. a001438.
20. Babalola O. O. Beneficial bacteria of agricultural importance. Biotechnology letters. 2010. Vol. 32. № 11. P. 1559-1570.
21. Khan A. L., Waqas M., Kang S. M. Bacterial endophyte Sphingomonas sp. LK11 produces gibber-ellins and IAA and promotes tomato plant growth. J. Microbiol. 2014. Vol. 52. P. 689-695.
22. Aloni R., Aloni E., Langhans M., & Ullrich C. I. Role of cytokinin and auxin in shaping root architecture: regulating vascular differentiation, lateral root initiation, root apical dominance and root gravitropism. Annals of botany. 2006. Vol. 97. № 5. P. 883-893.
23. Liu F., Xing S., Ma H, Du Z., & Ma B. Cytokinin-producing, plant growth-promoting rhizobacteria that confer resistance to drought stress in Platycladus orientalis container seedlings. Applied microbiology and biotechnology. 2013. Vol. 97. № 20. P. 9155-9164.
24. Reid M. S. The role of ethylene in flower senescence. In IV International Symposium on Postharvest Physiology of Ornamental Plants 261. March, 1988. P. 157-170.
25. AhmadM., Zahir Z. A., KhalidM., Nazli F., & Arshad M. Efficacy of Rhizobium and Pseudomonas strains to improve physiology, ionic balance and quality of mung bean under salt-affected conditions on farmer's fields. Plant Physiology and Biochemistry. 2013. Vol. 63. P. 170-176.
26. Li Q., Saleh-Lakha S., & Glick B. R. The effect of native and ACC deaminase-containing Azospirillum brasilense Cd1843 on the rooting of carnation cuttings. Canadian journal of microbiology. 2005. Vol. 51. № 6. P. 511-514.
27. Glick B. R. Bacteria with ACC deaminase can promote plant growth and help to feed the world. Microbiological research. 2014. Vol. 169. № 1. P. 30-39.
28. Feng K., Lu H. M, Sheng H. J., WangX. L., Mao J. Effect of organic ligands on biological availability of inorganic phosphorus in soils. Pedosphere. 2004. Vol. 14. P. 85-92.
29. Khan M. S., Zaidi A. & Wani P. A. Role of phosphate-solubilizing microorganisms in sustainable agriculture - A review. Agronomic Sustainable Development. 2007. Vol. 27. P. 29-43.
30. Jeffries P., Gianinazzi S., Perotto S., Turnau K., Barea J. M. The contribution of arbuscular mycorrhizal fungi in sustainable maintenance of plant
health and soil fertility. Biol Fertil Soils. 2003. Vol. 37. P. 1-16.
31. Rodriguez H., Fraga R. Phosphate solubiliz-ing bacteria and their role in plant growth promotion. Biotechnol Adv. 1999. Vol. 17. P. 319-339.
32. Sharma S. B., Sayyed R. Z., Trivedi M. H., & Gobi T. A. Phosphate solubilizing microbes: sustainable approach for managing phosphorus deficiency in agricultural soils. SpringerPlus. 2013. Vol. 2. № 1. P. 587.
33. Ogut M., Er F., & Neumann G. Increased proton extrusion of wheat roots by inoculation with phosphorus solubilising microorganims. Plant and soil. 2011. Vol. 339. № 1-2. P. 285-297.
34. Kpomblekou K., Tabatabai M. A. Effect of organic acids on release of phosphorus from phosphate rocks. Soil Sci. 1994. Vol. 158. P. 442-453.
35. Tao G. C., Tian S. J., Cai M. Y., Xie G. H. Phosphate-solubilizing and -mineralizing abilities of bacteria isolated from soils. Pedosphere. 2008. Vol. 18. P. 515-523.
36. Ponmurugan P., & Gopi C. In vitro production of growth regulators and phosphatase activity by phosphate solubilizing bacteria. African Journal of Biotechnology. 2006. Vol. 5. 4), 348-350.
37. Gyaneshwar P., Naresh Kumar G., Parekh L. J., Poole P. S. Role of soil microorganisms in improving P nutrition of plants. Plant Soil. 2002. Vol. 245. P. 83-93.
38. Bashan Y., Gonzalez L. E. Long-term survival of the plant growth-promoting bacteria Azospirillum brasilense and Pseudomonas fluorescens in dry alginate inoculant. Appl Microbiol Biotechnol. 1999. Vol. 51. P. 262-266.
39. Rojas A., Holguin G., Glick B. R., Bashan Y. Synergism between Phyllobacterium sp. (N2-fixer) and Bacillus licheniformis (P-solubilizer), both from a semiarid mangrove rhizosphere. FEMS Microbiol Ecol. 2001. Vol. 35. P. 181-187.
40. Ray J., Bagyaraj D. J., Manjunath A. Influence of soil inoculation with versicular arbuscular mycorrhizal (VAM) and a phosphate dissolving bacteria on plant growth and 32P uptake. Soil Biol Bio-chem. 1981. Vol. 13. P. 105-108.
41. Raaijmakers J. M., Paulitz T. C., Steinberg C., Alabouvette C., Moe'nne-Loccoz Y. The rhizosphere: a playground and battlefield for soilborne pathogens and beneficial microorganisms. Plant Soil. 2009. Vol. 321. P. 341-361.
42. Zheng X. Y., & Sinclair J. B. The effects of traits of Bacillus megaterium onseed and root colonization and their correlation withthe suppression of Rhizoctonia root rot of soybean. Biocontrol 2000. Vol. 45. № 2. P. 223-243.
43. Chet I., Inbar J. Biological control of fungal pathogens. Appl Biochem Biotechnol. 1994. Vol. 48. P. 37-43.
44. Frankowski J., Lorito M., Scala F., Schmidt R., Berg G., Bahl H. Purification and properties of two chitinolytic enzymes of Serratia plymuthica HRO-C48. Arch Microbiol. 2001. Vol. 176. P. 421-426.
45. Ordentlich A., Elad Y., Chet I. The role of chi-tinase of Serratia marcescens in biocontrol of Scleroti-um rolfsii. Phytopathology. 1988. Vol. 78. P. 84-88.
46. Singh P. P., Shin Y. C, Park C. S., Chung Y. R. Biological control of Fusarium wilt of cucumber by chitinolytic bacteria. Phytopathology. 1999. Vol. 89. P. 92-99.
47. Kim Y. C., Jung H, Kim K. Y., Park S. K. An effective biocontrol bioformulation against Phytophtho-ra blight of pepper using growth mixtures of combined chitinolytic bacteria under different field conditions. Eur J Plant Pathol 2008. Vol. 120. P. 373-382.
48. Bonas U. & Lahaye T. Plant disease resistance triggered by pathogen-derived molecules: refined models of specific recognition. Current opinion in microbiology. 2002. Vol. 5. № 1. P. 44-50.
49. Romeiro R. S. PGPR and systemic induction of resistance against plant pathogens. Summa Phytopathol. 2000. Vol. 26. P. 177-184.
50. Moraes MG Mechanisms of acquired systemic resistance in plants. Revis Anu Patol Plantas. 1998. Vol. 6. P. 261-284.
51. Pieterse C. M. J., van Pelt J. A., Knoester M., Laan R., Gerrits H., Weisbeek P. J., van Loon L. C. Novel signaling pathway controlling induced systemic resistance in Arabidopsis. Plant Cell. 1998. Vol. 10. P. 1571-1580.
52. Leeman M., van Pelt J. A., Denouden F. M., Heinsbroek M., Bakker P. A. H. M., Schippers B. Induction of systemic resistance against Fusarium wilt of radish by lipopolysaccharides of Pseudomonas fluo-rescens. Phytopathology. 1995. Vol. 85 P. 1021-1027.
53. Choudhary D. K., Johri B. N., & Prakash A. Volatiles as priming agents that initiate plant growth and defence responses. Current Science. 2008. Vol. 94. № 5. P. 595-604.
54. Ongena M., Jourdan E., Adam A., Paquot M., Brans A., Joris B., Arpigny J. L., Thonart P. Surfactin and fengycin lipopeptides of Bacillus subtilis as elici-tors of induced systemic resistance in plants. Environ Microbiol. 2007. Vol. 9. P. 1084-1090.
55. Araujo F. F., Henning A. A., & Hungria M. Phytohormones and antibiotics produced by Bacillus subtilis and their effects on seed pathogenic fungi and on soybean root development. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2005. Vol. 21. № 89. P. 1639-1645.
56. Hanson A. D., Nelsen C. E., Pedersen A. R., & Everson E. H. Capacity for proline accumulation during water stress in barley and its implications for breeding for drought resistance 1. Crop Science. 1979. Vol. 19. № 4. P. 489-493.
57. Rampazzo P. E. Interaction between rhizo-bacteria and sugarcane under different conditions of
substrate moisture: growth, photosynthesis and water relations. Dissertation, Institute Agronomic of Campinas, Campinas. 2013. 150 p.
58. Simova-Stoilova L., Demirevska K., Petrova T., Tsenov N., & Feller U. Antioxidative protection in wheat varieties under severe recoverable drought at seedling stage. Plant Soil Environ. 2008. Vol. 54. № 12. P. 529-36.
59. Li S. M., Hua G. G., Liu H. X., & Guo J. H. Analysis of defence enzymes induced by antagonistic bacterium Bacillus subtilis strain AR12 towards Ral-stonia solanacearum in tomato. Annals of microbiology. 2008. Vol. 58. № 4. P. 573.
60. de Araujo F. F., & Menezes D. Induction of resistance in tomato by biotic (Bacillus subtilis) and abiotic (Acibenzolar-S-Metil) inducers. Summa Phytopathologica. 2009. Vol. 35. № 3. P. 169-172.
61. Kumar M., Yadav V., Tuteja N., & Johri A. K. Antioxidant enzyme activities in maize plants colonized with Piriformospora indica. Microbiology. 2009. Vol. 155. № 3. P. 780-790.
62. Andlauer W., & Fürst P. Nutraceuticals: a piece of history, present status and outlook. Food Research International. 2002. Vol. 35. № 2-3. P. 171-176.
63. Hilliou L. et al. Solution properties of an ex-opolysaccharide from a Pseudomonas strain obtained using glycerol as single carbon source. Carbohydr. Pol. 2009. Vol. 78. P. 526-532.
64. Roberson E. B., Firestone M. K. Relationship between Desiccation and Exopolysaccharide Production in a Soil Pseudomonas sp. Appl Environ Microbiol. 1992. Vol. 58. № 4. P. 1284-1291.
65. Leigh J. A., Coplin D. L. Exopolysaccharides in plant-bacterial interactions. Annu Rev Microbiol. 1992. Vol. 46. P. 307-346.
66. Ashraf M. Photosynthetic capacity and ion accumulation in a medicinal plant henbane (Hyoscya-mus niger L.) under salt stress. 2004.
67. Naseem H., Ahsan M., ShahidM. A., Khan N. Exopolysaccharides producing rhizobacteria and their role in plant growth and drought tolerance. J Basic Microbiol. 2018. Vol. 58. № 12. P. 1009-22. https://doi.org/10. 1002/jobm.201800309 PMID: 30183106
68. Bashan Y., Holguin G., De-Bashan L. E. Azospirillum-plant relationships: physiological, molecular, agricultural, and environmental advances (1997-2003). Can J Microbiol. 2004:1. Vol. 50. № 8. P. 521-77. https://doi. org/10.1139/w04-035 PMID: 15467782
69. Sansinenea E., & Ortiz A. Secondary metabolites of soil Bacillus spp. Biotechnology letters. 2011. Vol. 33. № 8. P. 1523-1538.
70. Breitling R., Ceniceros A., Jankevics A., & Takano E. Metabolomics for secondary metabolite research. Metabolites. 2013. Vol. 3. № 4. P. 10761083.
71. Shen Y., Fatemeh T., Tang L., & Cai Z. Quantitative metabolic network profiling of Escherichia coli: An overview of analytical methods for measurement of intracellular metabolites. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2016. Vol. 75. P. 141-150.
72. Tyc O., Song C., Dickschat J. S., Vos M., & Garbeva P. The ecological role of volatile and soluble secondary metabolites produced by soil bacteria. Trends in microbiology. 2017. Vol. 25. № 4. P. 280-292.
73. Lee I. Y., Seo W. T., Kim G. J., Kim M. K., Ahn S. G., Kwon G. S., & Park Y. H. Optimization of fermentation conditions for production of exopolysac-charide by Bacillus polymyxa. Bioprocess Engineering. 1997. Vol. 16. № 2. P. 71-75.
74. Rafigh S. M., Yazdi A. V., Vossoughi M., Safekordi A. A., & Ardjmand M. Optimization of culture medium and modeling of curdlan production from Paenibacillus polymyxa by RSM and ANN. International journal of biological macromolecules. 2014. Vol. 70. P. 463-473.
75. Liu J., Luo J., Ye H., Sun Y., Lu Z., & ZengX. Production, characterization and antioxidant activities in vitro of exopolysaccharides from endophytic bacterium Paenibacillus polymyxa EJS-3. Carbohydrate polymers. 2009. Vol. 78. № 2. P. 275-281.
76. Li O, Lu C., Liu A., Zhu L., Wang P. M, Qi-an C. D., . & Wu X. C. Optimization and characterization of polysaccharide-based bioflocculant produced by Paenibacillus elgii B69 and its application in wastewater treatment. Bioresource technology. 2013. Vol. 134. P. 87-93.
77. Jung H. K., Hong J. H, Park S. C., Park B. K., Nam D. H., & Kim S. D. Production and physico-chemical characterization of p-glucan produced by Paenibacillus polymyxa JB115. Biotechnology and Bioprocess Engineering. 2007. Vol. 12. № 6. P. 713-719.
78. Suresh Kumar A., Mody K., & Jha B. Bacterial exopolysaccharides-a perception. Journal of basic microbiology. 2007. Vol. 47. № 2. P. 103-117.
79. Wang C. L., Huang T. H., Liang T. W., Fang C. Y., & Wang S. L. Production and characterization of exopolysaccharides and antioxidant from Paenibacil-lus sp. TKU023. New biotechnology. 2011. Vol. 28. № 6. P. 559-565.
80. Pirog T. P., Ivakhniuk M. O., & Voronen-ko A. A. Exopolysaccharides synthesis on industrial waste. Biotechnologia Acta. 2016. Vol. 9. № 2. P. 718. doi: 10.15407/biotech9.02.007
81.Худайгулов Г. Г., Логинов О. Н., Меленть-ев А. И. Экзополисахарид альгинатного типа Paenibacillus ehimensis 739. Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Вып. 13. № 5-3. C. 214.
82. Wang X., Yuan X. F., Zhao B., & WANG Y. C. Optimization of culture medium for growth of Bacillus mucilaginosus PM13 strain. The
Chinese Journal of Process Engineering. 2010. Vol. 10. № 3. P. 582-587.
83. Пестова О.В. Биосинтез экзополисахари-дов Bacillus mucilaginosus на различных питательных средах / О.В. Пестова, СВ. Водолажская, Г.Г. Няникова, Е.Я. Виноградов // Тез. докл. Меж-дуиар. наун.-практ. конф. «Разработка и производство диагностических питательных сред и микро-тсстсистем», 27-28 августа 1998г. Махачката, 1998. С. 27.
84. Mihajlovski K. R., Radovanovic N. R., Veljo-vic D. N., Siler-Marinkovic S. S., & Dimitrijevic-Brankovic S. I. Improved P-amylase production on molasses and sugar beet pulp by a novel strain Paeni-bacillus chitinolyticus CKS1. Industrial crops and products. 2016. Vol. 80. P. 115-122.
85. Gao Y., Xu, J., Zhang Y., Yu Q., Yuan Z., & Liu Y. Effects of different pretreatment methods on chemical composition of sugarcane bagasse and enzymatic hydrolysis. Bioresource technology. 2013. Vol. 144. P. 396-400.
86. Ikram-Ul-Haq H. U., Mahmood Z., & Javed M. M. Solid state fermentation for the production of a-amylase by Paenibacillus amylolyticus. Pak J Bot. 2012. Vol. 44. P. 341-346.
87. Hensley D. E., Smiley K. L., Boundy J. A., & Lagoda A. A. Beta-Amylase production by Bacillus polymyxa on a corn steep-starch-salts medium. Applied and environmental microbiology. 1980. Vol. 39. № 3. P. 678.
88. Di Marco E., Soraire P. M., Romero C. M., Villegas L. B., & Martinez M. A. Raw sugarcane bagasse as carbon source for xylanase production by Paenibacillus species: a potential degrader of agricultural wastes. Environmental Science and Pollution Research. 2017. Vol. 24. № 23. P. 19057-19067.
89. Ko C. H., Lin Z. P., Tu J., Tsai C. H, Liu C. C., Chen H. T., & Wang T. P. Xylanase production by Paenibacillus campinasensis BL11 and its pretreat-ment of hardwood kraft pulp bleaching. International Biodeterioration & Biodegradation. 2010. Vol. 64. № 1. P. 13-19.
90. Lee Y. E. Optimization of xylanase production from Paenibacillus sp. DG-22. Journal of Life Science. 2003. Vol. 13. № 5. P. 618-625.
91. Lincoln L., More V. S., & More S. S. Isolation, screening and optimization of extracellular glu-coamylase from Paenibacillus amylolyticus strain NEO03. Biocatalysis and agricultural biotechnology. 2019. Vol. 18. P. 101054.
92. Pathania S., Sharma N., & Verma S. K. Optimization of cellulase-free xylanase produced by a potential thermoalkalophilic Paenibacillus sp. N1 isolated from hot springs of Northern Himalayas in India. Journal of Microbiology, Biotechnology and Food Sciences. 2020. Vol. 9. № 4. P. 1-24.
93. Liang Y. L., Zhang Z., Wu M., Wu Y., & Feng J. X. Isolation, screening, and identification of
cellulolytic bacteria from natural reserves in the subtropical region of China and optimization of cellulase production by Paenibacillus terrae ME27-1. BioMed research international, 2014. Vol. 2014. 13 p. DOI: 10.1155/2014/512497
94. Wang H., Wang F., & Wei D. Impact of oxygen supply on rtPA expression in Escherichia coli BL21 (DE3): ammonia effects. Applied microbiology and biotechnology. 2009. Vol. 82. № 2. P. 249-259.
95. El-SayedM. H, Arafat H. H, Elsehemy I. A., & Basha M. Optimization, purification and physico-chemical characterization of curdlan produced by Pae-nibacillus sp. strain NBR-10. Biosciences Biotechnology Research Asia. 2016. Vol. 13. № 2. P. 901-909.
96. Gao J., Zhao Y., Zhang G., Li Y., & Li Q. Production optimization, purification, expression, and characterization of a novel a-l-arabinofuranosidase from Paenibacillus polymyxa. Electronic Journal of Biotechnology. 2018. Vol. 36. P. 24-33.
97. Liang T. W., Tseng S. C., & Wang S. L. Production and characterization of antioxidant properties of exopolysaccharide (s) from Peanibacillus muci-laginosus TKU032. Marine drugs. 2016. Vol. 14. № 2. P. 40.
98. Islam F., & Roy N. Screening, purification and characterization of cellulase from cellulase producing bacteria in molasses. BMC research notes. 2018. Vol. 11 № 1. P. 445.
99. Liang, T. W., Wu, C. C., Cheng, W. T., Chen, Y. C., Wang, C. L., Wang, I. L., & Wang, S. L. Ex-opolysaccharides and antimicrobial biosurfactants produced by Paenibacillus macerans TKU029. Applied biochemistry and biotechnology. 2014. Vol. 172. № 2. P. 933-950.
100. Garcia-Ochoa F., Santos V. E., Casas J. A., & Gómez E. Xanthan gum: production, recovery, and properties. Biotechnology advances. 2000. Vol. 18. № 7. P. 549-579.
Статья поступила в редакцию 11.08.2020 Принята к публикации 21.09.2020
Информация об авторах
ХА Тхи Зунг - аспирант кафедры пищевой биотехнологии, Казанский национальный исследовательский технологический университет. Область научных интересов - сельскохозяйственные культуры, микроорганизмы, их применение. Автор 10 научных публикаций.
КАНАРСКИЙ Альберт Владимирович - доктор технических наук, профессор кафедры пищевой биотехнологии, Казанский национальный исследовательский технологический университет. Область научных интересов - биотехнология. Автор 350 научных публикаций.
КАНАРСКАЯ Зося Альбертовна - кандидат технических наук, доцент кафедры пищевой биотехнологии, Казанский национальный исследовательский технологический университет. Область научных интересов - биотехнология. Автор 230 научных публикаций.
ЩЕРБАКОВ Андрей Владимирович - кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории экологии симбиотических и ассоциативных ризобактерий, ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии. Область научных интересов - сельскохозяйственные растения, микроорганизмы и их использование. Автор 110 научных публикаций.
ЩЕРБАКОВА Елена Николаевна - кандидат сельскохозяйственных наук, младший научный сотрудник лаборатории технологии микробных препаратов, ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии. Область научных интересов - сельскохозяйственные растения, микроорганизмы и их использование. Автор 90 публикаций.
UDC 57.025:57.042
DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2827.2020.3.58
THE KEY PLANT GROWTH STIMULATOR - RHIZOBACTERIA
T. Z. Kha1, A. V. Kanarskii1, Z. A. Kanarskaia1, A. V. Shcherbakov2, E. N. Shcherbakova2 1Kazan National Research Technological University, 8, Tolstoi st., Kazan, 420015, Russian Federation 2All-Russian Research Institute of Agricultural Microbiology, 3, shosse Podbelskogo, St. Petersburg, 196608, Russian Federation Email: alb46@mail.ru
Keywords: rhizobacteria; plants; mechanism influencing the growth; cultivation conditions; growth stimulants.
ABSTRACT
In soil, a significant proportion of bacteria, including the plant growth-promoting Rhizobacteria (PGPR), interact with host plants and have a positive effect on plant growth and nutrition. The aim of this research is to substantiate the feasibility for using the rhizobacteria to stimulate plant growth and demonstrate the methods for their production under industrial conditions. In this paper the authors consider the mechanism ofplant growth stimulation by rhizobacteria and the effect of cultivation conditions on the growth and production of metabolites of rhizobacteria including bacteria of the genus of Paeni-bacillus. The analysis of Russian and foreign literature has shown that metabolic products synthesized by rhizobacteria during their cultivation can stimulate and protect plants from pathogenic and stress factors. Conclusion. The use of direct mechanisms of plant growth stimulation by rhizobacteria allows to increase the absorption of nutrients (nitrogen, phosphorus, etc.) by plants, to increase the synthesis of phytohormones, siderophores and enzymes, and decrease the level of ethylene. Using the indirect mechanisms of plant growth stimulation by rhizobacteria helps to reduce the harmful effects of pathogens on plant growth. Based on these mechanisms, it is possible to conclude that PGPR can be used to produce three main biological products for the agricultural purposes: biofertilizers, fitostimulyatory, biopesticides. To intensify the growth and synthesis of metabolites of rhizobacteria, including bacteria of the genus of Paenibacillus, it is necessary to take into account the influence of the following factors: carbon and nitrogen sources, pH of the medium, temperature of cultivation, aeration of the nutrient medium. By regulating these factors, it is promising to create a technology for the development of biological products for agricultural purposes.
The article was received 11.08.2020 Accepted for publication 21.09.2020
For citation: Kha T. Z., Kanarskii A. V., Kanarskaia Z. A., Shcherbakov A. V., Shcherbakova E. N. The Key Plant Growth Stimulator - Rhizobacteria. Vestnik of Volga State University of Technology. Ser.: Forest. Ecology. Nature Management. 2020. No 3 (47). Pp. 58-73. DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2827.2020.3.58
Information about the authors
Tkhi Z. Kha - Postgraduate student of the Chair of Food Biotechnology, Kazan National Research Technological University. Research interests - agricultural plants, microorganisms and their application. Author of 10 scientific publications.
Albert V. Kanarskii - Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Chair of Food Biotechnology, Kazan National Research Technological University. Research interests - biotechnology. Author of 350 scientific publications.
Zosia A. Kanarskaia - Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Chair of Food Biotechnology, Kazan National Research Technological University. Research interests -biotechnology. Author of 230 scientific publications.
Andrei V. Shcherbakov - Candidate of Biological Sciences, Researcher at the Laboratory of Ecology of Symbiotic and Associative Rhizobacteria, All-Russian Research Institute of Agricultural Microbiology. Research interests - agricultural plants, microorganisms and their application. Author of 110 scientific publications.
Elena N. Shcherbakova - Candidate of Agricultural Sciences, Junior Researcher at the Laboratory of Ecology of Symbiotic and Associative Rhizobacteria, All-Russian Research Institute of Agricultural Microbiology. Research interests - agricultural plants, microorganisms and their application. Author of 90 scientific publications.
