CC BY
43
УДК 633.8:631.46
СТРУКТУРА БАКТЕРИАЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ КАЛЕНДУЛЫ ЛЕКАРСТВЕННОЙ И РАСТОРОПШИ ПЯТНИСТОЙ В АГРОЦЕНОЗЕ
Т.Г. Добровольская, к.б.н., Т.И. Хуснетдинова, к.б.н., П.М. Савицкая, К.А. Хуснетдинова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]
Определена численность и таксономическая структура эпифитных бактериальных сообществ календулы лекарственной и расторопши пятнистой на картофельном поле. Установлено, что в филлосфере и ризосфере исследуемых растений наблюдаются существенные перестройки в таксономической и эколого-трофической структуре эпифитного комплекса бактерий в процессе онтогенеза растений. Обсуждаются функции эпифитных бактерий лекарственных растений. В почве под исследуемыми растениями таксономическая структура бактериального комплекса мало изменялась. Во все сроки отбора образцов доминировал типично почвенный микроорганизм - артробактер. На стадии всходов растений под ними были обнаружены кроме артро-бактера, спорообразующие бактерии (второй доминант), и стрептомицеты (субдоминант). В периоды цветения растений в качестве минорных компонентов из почвы были выделены флаво-бактерии и микрококки, а в период созревания семян - миксобактерии и протеобактерии.
Ключевые слова: эпифитные сообщества, лекарственные растения, онтогенез растений, таксоны бактерий, функции.
BACTERIAL COMMUNITIES STRUCTURE OF CALENDULA (CALENDULA OFFICINALIS) AND MILK THISTLE (SILYBUMMARIANUM) IN AGROCOENOSIS
PhD. T.G. Dobrovolskaya, PhD. T.I. Khusnetdinova, P.M. Savitskaya, K.A. Khusnetdinova
Lomonosov Moscow State University, e-mail: [email protected]
It determines the number and taxonomic structure of epiphytic bacterial communities Calendula officinalis and Silybum marianum in a potato field. It was found that in the rhizosphere andphyllosphere of plants there are significant restructuring in the taxonomic and ecological-trophic structure of epiphytic bacteria in the process of ontogenesis of these plants. We discuss the functions of epiphytic bacteria of medicinal plants. The soil under the plants studied taxonomic structure of the bacterial complex of little change. At all sampling periods are typically dominated by soil microorganisms - Arthrobacter. At the stage of seedling plants under them have been found except Arthrobacter, spore-forming bacteria (secondary dominants) and streptomycetes (subdominant). In periods of flowering plants as minor components of the soil were identified Flavobacterium and Micrococci, and during the ripening seeds - Myxobacteria and Proteobacteria.
Keywords: epiphytic community, medicinal plants, plant ontogenesis, bacterial taxones, functions.
Флора земли - огромная, неиссякаемая кладовая лекарственных средств. Общее количество лекарственных растений составляет более 12 тысяч видов. В результате работ российских ученых составлены карты распространения лекарственных растений, атласы, справочники. Д.И. Семенихиным [1] предложен экономически обоснованный и экологически безопасный агрокомплекс по возделыванию многолетних лекарственных культур в совместных посевах с однолетними сельскохозяйственными растениями. При детальном изучении химического состава и метаболитов лекарственных растений практически не исследован состав эпифитного комплекса бактерий.
Цель исследований - изучение структуры бактериальных сообществ календулы лекарственной и расторопши пятнистой в агроценозе.
Объекты и методы исследований. Исследования проводили в Солнечногорском районе Московской области на территории Учебно-опытного поч-венно-экологического центра МГУ им. М.В. Ломоносова. Объекты исследований: календула лекарственная (ноготки) - Calendula officinalis, сорт Кальта и расторопша пятнистая - Silybum marianum, сорт Дебют (селекции ВИЛАР). Посев расторопши проводили по краю картофельного поля, календулы - на защитных полосах между делянками картофеля. Почва дерново-подзолистая, хорошо окультуренная. Анализировали листья, корни, цветки, семена и почва под растениями. Образцы отбирали на стадии всходов, цветения, созревания семян. Посев проводили из разных разведений на глюкозо-пептонно-дрожжевую среду в
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 14-50-00029. 52 Агрохимический вестник • № 1 - 2017
трехкратной повторности. Для предварительной десорбции микроорганизмов использовали прибор Вортекс. Определение выделенных бактерий проводили, используя определитель бактерий Берджи [2] и кафедральное руководство [3].
Результаты. Из разных органов растений и почвы было выделено 135 культур. На основании культуральных, морфологических и физиологических признаков была определена их таксономическая принадлежность. Установлено, что в процессе онтогенеза растений происходят существенные изменения в таксономической структуре бактериальных сообществ на всех органах исследуемых растений. Так, на стадии всходов на листьях календулы в качестве монодоминанта выделялись пигментные представители актинобактерий - Ююс1о-соссих. На стадии цветения наблюдали четкую смену доминантов - более 60% составили пигментные протеобактерии. На стадии созревания семян протеобактерии сменились представителями родов Аг1ИгоЬас1ег и ПауоЬаМегшт (рис. 1). На цветках и
Всходы
семенах календулы доминировали те же протеобактерии, что на листьях в период цветения.
На корнях календулы на стадии всходов доминировали типично почвенные спорообразуюгцие бактерии рода Bacillus. На стадии цветения, как и в филлосфере, на корнях доминантами становятся представители класса Proteobacteria и рода Flavo-bacterium. В период созревания семян в качестве второго доминанта появились целлюлозоразруша-югцие миксобактерии.
При анализе динамики таксономической структуры бактериальных сообществ в филлосфере и ризосфере расторопши установлено, что на стадии всходов на листьях доминировали коринеподобные бактерии рода Arthrobacter и пигментные грамот-рицательные протеобактерии. Минорные компоненты были представлены родококками и бациллами. На стадии цветения протеобактерии (класс Proteobacteria) становятся монодоминантами, повышается доля родококков, они становятся субдоминантами (20-30%). Минорные члены сообщества - арт-
Цветение Созревание семян
Arthrobacter Rhodococcus Bacillus
Proteobacteria (пигментные) Cytophaga
ш&ж
Proteobacteria (апигментные)
Myxococcales
Micrococcus
Flavobacterium
Curtobacterium
Рис. 1. Таксономическая структура бактериальных сообществ на листьях и корнях календулы на разных стадиях вегетации, %
Всходы Цветение Созревание семян
йййййй
Arthrobacter Rhodococcus Bacillus
Proteobacteria (пигментные) Cytophaga
Proteobacteria (апигментные)
Myxococcales
Micrococcus
Flavobacterium
Curto bacterium
Рис. 2. Таксономическая структура бактериальных сообществ на листьях и корнях расторопши на разных стадиях вегетации,%
робактер и микеобактерии (рис. 2). В период созревания семян опять наблюдали смену доминантов, ими были актинобактерии рода Rhodococcus, в качестве второго доминанта сохранялись протеобак-терии, увеличивалась доля целлюлозоразрушаюгцих миксобактерий. В качестве минорных оставались артробактерии. На цветках расторопши преобладали те же бактерии, что были обнаружены на листьях в период цветения - протеобактерии, представленные как пигментными, так и апигментными формами, и микеобактерии. На семенах было зафиксировано 2 доминанта - те же протеобактерии, что на цветках, но в качестве второго доминанта были обнаружены целлюлозоразрушаюгцие бактерии рода Cytophaga. Микеобактерии также выделялись, но в небольшом количестве.
На корнях расторопши на стадии всходов доминировали микеобактерии, все остальные представители разных таксонов (Рго1еоЬас1епа, Г1а\>оЬас1ег1ит, Аг1ИгоЬас1ег) были минорными компонентами (рис. 2). В период цветения, как и на листьях, доминантами были протеобактерии (более 60%), в качестве второго доминанта обнаружен артробактер, минорного -
микрококки (Micrococcus). На стадии созревания семян на корнях значительно увеличилось число таксонов (6), но только 2 из них присутствовали как доминирующие - протеобактерии и родококки. Минорные компоненты были представлены как актинобактери-ями (роды Arthrobacter, Curto bacterium), так и целлю-лозорарушаюгцими цитофагами (рис. 2).
В филлосфере и ризосфере как календулы, так и расторопши, наблюдались существенные перестройки в таксономической и эколого-трофической структуре эпифитного комплекса бактерий в процессе онтогенеза этих растений. На стадии всходов на листьях и корнях исследуемых растений мы обнаруживали представителей разных таксонов, которые попадают туда как с семян, так и из почвы. На стадии цветения наблюдается одна и та же картина - на всех органах растений доминируют гра-мотрицательные бактерии (класс Proteobacteria), которые представлены как пигментными, так и апигментными формами, и являются типично эккрисотрофными бактериями, питающимися продуктами экзоосмоса растений. В настоящее время определить эти группы бактерий на основании фе-
нотипических признаков очень сложно, поэтому мы определяем только их принадлежность к крупному таксону - классу Proteobacteria. В дальнейшем необходимо применение молекулярно-биологических методов для идентификации до рода. По мере старения растений нами были обнаружены другие (по сравнению с цветением) закономерности в составе бактериального комплекса. Доминировавшие при цветении растений протеобакте-рии заменялись либо бактериями гидролитического блока (миксобактерии, цитофаги, флавобактерии), либо актинобактериями (Arthrobacter, Rhodococcus). Следует отметить общую закономерность для всех стадий онтогенеза - доминирование пигментных форм бактерий, их доля составляла 60%.
В почве под исследуемыми растениями таксономическая структура бактериального комплекса мало изменялась. Во все сроки отбора образцов доминировал типично почвенный микроорганизм - артро-бактер. На стадии всходов растений под ними были обнаружены кроме артробактера, спорообразующие бактерии (второй доминант), и стрептомицеты (субдоминант). В периоды цветения растений в качестве минорных компонентов из почвы были выделены флавобактерии и микрококки, а в период созревания семян - миксобактерии и протеобактерии.
Сравнить полученные нами результаты по динамике таксономической структуры бактериальных комплексов в филлосфере и ризосфере исследуемых лекарственных растений с литературными данными нет возможности, так как такие данные отсутствуют. Можно лишь сослаться на работу, в которой наблюдали динамику двух родов - Pseudomonas и Bacillus, выделенных из филлопланы сложноцветных растений, в состав которых входит и календула [4]. Установлено, что бактерий рода Pseudomonas больше в летний период, чем в осенний, по сравнению с представителями рода Bacillus. Однако приводимые авторами показатели находятся в пределах одного порядка - 106 КОЕ/г. С другой стороны, мы имеем возможность сравнить полученные нами закономерности по динамике таксономического состава бактерий с таковыми для культурных растений. Так, изучая эпифитные бактериальные сообщества на разных стадиях онтогенеза овса и вики, было установлено, что наиболее значимым в смене таксонов бактерий в фил-лосфере и ризосфере представляется замена эккри-сотрофных бактерий на гидролитические, относящиеся к группе целлюлозоразрушающих. Это связано со снижением метаболической активности листьев и корней, что проявляется в уменьшении количества выделяемых метаболитов и старении органов растений. Постепенно накапливается тот спектр бактерий, который впоследствии участвует в разложении отмирающих растительных тканей [5].
Если сравнить таксономический состав эпифит-
ных бактериальных сообществ на календуле и рас-торопше, то следует отметить более высокую долю бактерий рода Rhodococcus на листьях и корнях расторопши, по сравнению с календулой. Это связано, по-видимому, с более высоким содержанием фенольных веществ, в том числе флавоноидов, в растительных тканях расторопши, которые, как известно, используются родококками, обитающими на всех органах этого растения. Общее количество фенольных соединений в чертополохе составляет 1,8-3,2%, в календуле - 0,15%.
Хотелось бы еще обсудить функции бактерий разных таксонов, которые были выделены нами в качестве доминирующих на разных стадиях онтогенеза исследуемых растений. Про представителей класса Proteobacteria мы уже писали, как про типичных эккрисотрофов, а бациллы и миксобакте-рии являются типичными гидролитиками. Хотелось бы обратить особое внимание на функции бактерий родов Arthrobacter, Rhodococcus, Flavobacterium. Представители этих родов часто выделялись нами с поверхности листьев и корней как календулы, так и расторопши. Ранее считалось, что бактерии рода Flavobacterium способны разлагать только желатин и казеин. Однако оказалось, что некоторые виды флавобактерий способны гидролизовать более сложные полисахариды, включая крахмал, пектин, хитин и даже карбоксиметилцеллюлозу [6]. Давно установлена способность актинобактерий, особенно представителей рода Rhodococcus, усваивать различные ароматические соединения [7]. Выделенные из почв (особенно городских), растений и водоемов, родококки разлагали фенантрен, антрацен, пирен и другие полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). В вязи с этим бактерии рода Rhodococcus используются в настоящее время для очистки почв, загрязненных нефтью или различными антропогенными веществами, содержащими ПАУ. Артробактер является типичным почвенным микроорганизмом, встречающимся в большинстве типов почв. В надземный ярус растений бактерии этого рода попадают с почвенными частицами не только по корням, но и с ветром, пылью, осадками. Об их приживаемости в филлосфе-ре ранее не сообщалось. Однако недавно появилась работа [8], в которой доказано активное размножение культур 4 видов Arthrobacter на листьях яблони, которые способны использовать фенолы, хлор-фенолы, фенантрены, попадающие в филлосферу в качестве антропогенных веществ, в том числе и при использовании пестицидов и различных удобрений. В связи с этим авторы ставят вопрос о значимости культур артробактерий для очистки растений от загрязнений окружающей среды.
Поскольку на исследуемых растениях часто обнаруживаются, в том числе и в качестве доминантов, артробактер и родококки, то в связи с выявленными
положительными функциями этих бактерий в фил-лосфере, можно представить, что и на изученных лекарственных растениях актинобактерии также способны к очищению почвы, воздуха и воды, используя различные антропогенные вещества.
Выводы. В процессе онтогенеза исследованных растений численность бактерий эпифитного комплекса возрастает как на листьях, так и на корнях на 1-2 порядка, в почве она практически не меняется. В результате идентификации 135 культур бактерий, выделенных из разных органов растений, они были отнесены к 10 таксонам, среди которых выявлены доминанты, субдоминанты и минорные компоненты, характерные для разных стадий онтогенеза. Показано, что среди эпифитных бактерий 60% представлены
пигментными формами. Установлено, что в филлосфере и ризосфере как календулы, так и расторопши, наблюдаются существенные перестройки в эколого-трофической структуре бактериального комплекса. Они связаны с заменой эккрисотрофных протеобактерий в период цветения растений бактериями гидролитического комплекса в период созревания семян. На цветках и семенах исследуемых растений доминантами были протеобактерии, их доля составляет 50-70%. Установлено, что на листьях и корнях расторопши значительно выше доля родококков, чем на календуле, что объясняется более высоким содержанием фенольных соединений в листьях расторопши, которые могут усваиваться родококками.
Литература
1. Семенихин Д.И. Биологические особенности роста и развития валерианы лекарственной, зверобоя продырявленного и пижмы обыкновенной в совместных посевах с однолетними культурами: автореферат дисс. к.б.н. 06.01.13 - лекарственные и эфиромасличные культуры. - М., 2007. - 23 с.
2. Определитель бактерий Берджи, 1997, Т. 1. - 436 с., Т. 2. - 362 с.
3. Лысак Л.В., Добровольская Т.Г., Скворцова И.Н. Методы оценки бактериального разнообразия почв и идентификации почвенных бактерий. - М.: МАКС Пресс, 2003. - 120 с.
4. Бороздина И.Б., Заикина И.А. Сезонная динамика микробиологических показателей Pseudomonas и Bacillus, выделенных с поверхности филлоплана и цветка у представителей семейства Compositae // Вестник Алтайского государственного аграрного университета, 2010, № 10 (72). - С. 43-46.
5. Добровольская Т.Г., Хуснетдинова К.А., Манучарова Н.А., Балабко П.Н. Структура и функции бактериальных сообществ в агроценозе // Почвоведение, 2016, № 1. - С. 79-86.
6. Bernardet J.F., Segers P., Vancanneyt M., Berthe F., Kersters K., Vandamme P. Emended Classification and Description of the Genus Flavobacterium, Emended Description of the Family and Proposal of Flavobacterium hydatis norn. nov. // International journal of systematic Bacteriology, 1996. - P. 128-148.
7. Лысак Л.В., Сидоренко Н.Н. О видовом разнообразии родококков в городских почвах // Микробиология, 1997, Т. 66, № 4. - С. 574-576.
8. Scheublin T.R., Leveau J.H. Isolation of Arthrobacter species from the phyllosphere and demonstration of their epiphytic fitness // Microbiology Open, 2012, Doi: 10. 1002/mbo 3.59.
ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ АННОТАЦИЙ
В соответствии с требованиями международной информационной системы AGRIS (Agricultural Research Information System), авторы, желающие индексировать свои публикации обязаны оформлять свои рукописи по следующим правилам.
Рекомендуемый объем 1000-2000 знаков (200-250 слов). Реферат НЕ разбивается на абзацы. Структура реферата кратко отражает структуру работы. Вводная часть минимальна. Место исследования уточняется до области (края). Изложение результатов содержит КОНКРЕТНЫЕ сведения (выводы, рекомендации и т.п.). Допускается введение сокращений в пределах реферата (понятие из 2-3 слов заменяется на аббревиатуру из соответствующего количества букв, в 1-й раз дается полностью, сокращение - в скобках, далее используется только сокращение). Избегайте использования вводных слов и оборотов! Не нужно подчеркивать личный вклад автора! Числительные, если не являются первым словом, передаются цифрами. Нельзя использовать аббревиатуры (например, названий учреждений) без расшифровки и сложные элементы форматирования (например, верхние и нижние индексы). Категорически не допускаются вставки через меню «Символ», знак разрыва строки, знак мягкого переноса, автоматический перенос слов.
Перевод Реферата на английский язык. Недопустимо использование машинного перевода!!! Вместо десятичной запятой используется точка. Все русские аббревиатуры передаются в расшифрованном виде, если у них нет устойчивых аналогов в английском языке (допускается: ВТО - WTO, ФАО - FAO и т.п.). Безличные конструкции переводятся с использованием пассива.
Список литературы - не менее 7 источников.
