CC BY
18Естественный отбор «Разумная» адаптация
Жесткая элиминация особей с нарушениями нормы внешних признаков, отбор особей с нормой «красоты» Огромные возможности отклонения от нормы, снижение процента красивых тел и лиц при росте разнообразия; рост ненаследуемой искусственной красоты
Стремление к исключению наследования опасных болезней Возможность наследования опасных «наследственных» болезней
Сила, гибкость, нормальный вес, стройность (внутри видов нет жирных неповоротливых особей) Ожирение, низкая двигательная активность при пользовании различной техникой
Возможны следующие пути решения важнейшей проблемы сохранения роли естественного отбора в жизни природы [8]: во-первых, сохранить существенную часть Земли в естественном состоянии и дать возможность сохраниться естественному отбору. Во-вторых, существенно экологизировать всю свою деятельность и все свои нужды. В-третьих, проанализировать возможность следования принципам естественного отбора, которые не противоречат человеческой морали. «Было бы ошибкой полагать, что затухание стадиальной эволюции у неоантропа означает полное отсутствие у него всякой изменчивости по эпохам. Речь должна идти только о том, что в среде современного человечества не обнаруживается никаких следов морфологического прогресса, который бы привел ... к возникновению нового вида, столь же отличающегося от нас, как мы отличны от синантропов или палеоантропов» [4].
Итак, отношение человека к эволюции, к живой природе, и к ее приспособлению для удовлетворения своих нужд постоянно менялось. Ж. Бюффон восхищался успехами в начавшемся 200 лет назад освоении природы: «Как отвратительна эта дикая умирающая природа! .... Как прекрасна эта культурная природа!». Но вскоре Ж. Ла-марк предупреждал: «Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания». Сенека писал о возможности жизни в согласии с природой: «Вселенная, которую
видишь, обнимающая весь божественный и человеческий мир, образует единство: мы - члены единого тела. Природа создала нас родными друг другу, поскольку сотворила нас из одной и той же материи для одних и тех же целей. Живи сообразно с природою вещей. Жизнь счастлива, если она согласуется со своей природой». Это - одно из возможных направлений решения проблем эволюции [8].
Список литературы
1. Бунак В.В. Род Homo, его возникновение и последующая эволюция. - М.: Наука, 1980. -329с.
2. Дарвин Ч. Происхождение человека и половой отбор. Выражение эмоций у человека и животных. -М.: АН СССР, 1953. -1040с.
3. Ичас М. О природе живого: механизмы и смысл. -М.: Мир, 1994. - 496с.
4. Кремянский В.И. Структурные уровни живой природы. -М.: Наука,1969. - 291с.
5. Моисеев Н.Н. Человек и ноосфера. - М.: Мол. гвардия, 1990. -351 с.
6. Одум Ю. Экология. - М.: Мир, 1986. -т.2, - 376с.
7. Саган К. Драконы Эдема. Рассуждения об эволюции человеческого разума. - М.: Знание, 1986. -256с.
8. Тетиор А.Н. Целостность, красота и целесообразность мира множественной природы - Тверь: Тверское книжное издательство, 2005. -423с.
ВЛИЯНИЕ РИЗОБАКТЕРИЙ PSEUDOMONAS FLUORESCENS SPB2137 НА АЛЮМОУСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ
Шапошников Александр Иванович
Кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский институт
сельскохозяйственной микробиологии, Санкт-Петербург - г. Пушкин
Макарова Наталья Михайловна
Кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский институт
сельскохозяйственной микробиологии, Санкт-Петербург - г. Пушкин
Баганова Мария Евгеньевна
Инженер-микробиолог, Всероссийский научно-исследовательский институт, сельскохозяйственной микробиологии
Санкт-Петербург - г. Пушкин Азарова Татьяна Степановна
Кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский институт
сельскохозяйственной микробиологии, Санкт-Петербург - г. Пушкин
Пухальский Ян Викторович
Инженер-микробиолог, аспирант, Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии, Санкт-Петербург - г. Пушкин
IMPACT OF RHIZOBACTERIA PSEUDOMONAS FLUORESCENS spb2137 ON ALUMINUM TOLERANCE OF WHEAT Shaposhnikov Alexander Ivanovich, Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology, St. Petersburg - Pushkin
Makarova Natalia Mikhailovna, Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology, St. Petersburg - Pushkin
Baganova Maria Evgenievna, Engineer-microbiologist, All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology St. Petersburg - Pushkin
Azarova Tatyana Stepanovna, Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology, St. Petersburg - Pushkin
Puhalsky Yan Victorovich, Engineer-microbiologist, graduate student, All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology, St. Petersburg - Pushkin АННОТАЦИЯ
Инокуляция растений ростстимулирующим штаммом Pseudomonas fluorescens SPB2137 снижала влияние алюминиевого стресса у пшеницы Triticum lutescens сорта Воронежская 6 и Triticum aestivum сорта Курьер. Можно предположить, что положительное действие ризобактерий на рост растений в данном случае не связано со способностью бактерий утилизировать АЦК за счет АЦК-дезаминазной активности. Исследования показывали перспективность использования штаммов для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур в агрофито-ценозах, подвергающихся повышенному воздействию неблагоприятных условий окружающей среды. ABSTRACT
Inoculation of wheat Triticum aestivum varieties Voronezhkaya 6 and Courier by plant growth-promoting strain Pseudomonas fluorescens SPB2137 reduces the effect of aluminum stress on plants. We can assume that the positive effect of rhizobacteria on the growth of plants in this case is not related to the ability of bacteria to dispose of ACC by ACC deaminase activity. Research shows promising use of such strains to improve the sustainability of agricultural crops in agrophytocenosis exposed to elevated exposure to adverse environmental conditions.
Ключевые слова: алюмоустойчивость, ризобактерии, пшеница, АЦК-деаминаза, ИУК Keywords: aluminum tolerance, rhizobacteria, wheat, ACC-deaminase, IAA
Повышенная кислотность приводит к снижению плодородия почвы и урожайности многих сельскохозяйственных культур до 30-40 % [17]. Это связано с мобилизацией ионов трехвалентного алюминия (А13+) [18], вызывающий токсическое действие на растения со снижением их продуктивности. Токсическое действие алюминия на растения проявляется в первую очередь в ингибировании роста корневой системы, что отрицательно сказывается на поглощение азота, фосфора и их метаболизме в клетках корней. Это проявляется достаточно быстро уже на ранних сроках развития растений при токсических уровнях алюминия в почвенном растворе [6]. Также оно выражается в повреждении поверхности корня и постепенному распаду клеток эпидермиса. Известно что, различные виды и сорта растений могут существенно различаться по устойчивости к низким значениям рН и алюминию [22].
Недавние исследования показали, что разнообразие почвенных бактериальных сообществ сильно зависит от рН почвы. Это проявляется как на больших пространственных масштабах, в том числе и континентальных, так и на небольших типах конкретного землепользования. Однако, нет точных сведений является ли рН-фактор формирующим эти сообщества, или рН может быть лишь косвенно связан с наблюдаемыми изменениями, совместно с множеством других экологических факторов [14,16,19,22]. Так при снижении рН до 4,5 происходит ин-гибирование активности микробного сообщества, в особенности двух доминирующих таксонов - грибов и бактерий, что влечёт за собой уменьшение общей минерализации свободного углерода и базального дыхания микроорганизмов, в соотношении 1/3 от возможного. Сдвиг градиента приводит к пятикратному снижению роста бактерий и пятикратному увеличению роста грибов с более низким рН. Это приводит к приблизительно 30-кратному увеличению грибкового значения. При дальнейшем снижении уровня рН до 4,0 четких темпов роста грибов уже не наблюдается. Существует мнение, что грибные сообщества не коррелируют, либо слабо коррелирует с рН почвы, чем бактериальные сообщества [19]. Тем не менее, нехватка детальных исследований затрудняют делать какие-либо надежные выводы о сходстве или различиях экологических факторов, которые формируют состав этих сообществ в почве[20].
Токсический эффект, производимый ионами алюминия в кислых почвах вызывает у некоторых устойчивых к данному стрессу растений специфические физиологические реакции, связанные с экссудацией низкомолекулярных органических кислот (НОК) корневой системой растений (как правило, ими являются малат, цитрат и оксалат) [14,16,20-22]. НОК способны хелатировать алюминий и производство полисахаридов (целлюлоза, хитин), что ведёт к увеличению рН [18]. Они способны связывать их в прикорневой зоне растений, являясь эффективным механизмом устойчивости многих культур к алюминиевой токсичности [6,28]. Для ризосферных псевдомонад НОК является ценным субстратом для активного роста, колонизации корней и биосинтеза ряда физиологически активных веществ [4,5,9,23]. С этой точки зрения антистрессовый эффект ризобактерий может определяться балансом между корневой экссудацией НОК и их утилизацией ризо-бактериями. Может происходить усиление корневой экссудации НОК за счет дополнительного градиента их концентрации, направленного от поверхности корня и вызванного трофической активностью ризобактерий [12], а также за счет влияния микробных экзометаболитов [13,24-26].
Особо значимую роль для решения проблемы развития продуктивного земледелия имеют исследования процессов взаимодействия растений с почвенными микроорганизмами, образующими различного типа симбиозы, адаптирующие растения к изменяющимся условиям окружающей среды. Образуется единая микробно-расти-тельная система, которая получает новые хозяйственно ценные свойства, обусловленные положительным взаимодействием обоих партнеров [1,7,27,30]. Для успешной разработки биотехнологий, основанных на симбиотиче-ском потенциале микробно-растительных систем необходимо проведение фундаментальных и прикладных исследований, которые позволят понять механизмы функционирования таких надорганизменных биологических структур и регулировать процессы адаптации растений к неблагоприятным почвенным факторам.
Целью нашей работы было оценить влияние ризобактерий на устойчивость растений пшеницы к токсическому действию ионов алюминия на примере штамма
бактерий Pseudomonas fluorescens SPB2137, применяемых в производстве биопрепаратов и способных интенсивно осаждать алюминий из цитратного комплекса в нерастворимый липидный комплекс [8,10].
В работе использовали пшеницу Triticum lutescens сорта Воронежская 6 селекции НИИ сельского хозяйства Центрально-Черноземной полосы им. В.В. Докучаева и Triticum aestivum сорта Курьер селекции Краснодарского НИИ сельского хозяйства им. П.П. Лукьяненко. Для инокуляции растений использовали штамм Pseudomonas fluorescens SPB 2137, являющийся активным колонизатором корней, обладающий биоконтрольной и ростстиму-лирующей активность [2-3], благодаря наличию у него фермента АЦК-деаминазы, разлагающей предшественник стрессового фитогормона этилена в растениях [1,11], а также способности продуцировать фитогормон ИУК, оказывающим стимулирующее действие на рост корневой системы [15].
Семена пшеницы стерилизовали 6 мин 0,1% раствором сулемы и проращивали в чашках Петри на влажной фильтровальной бумаге в термостате при 28oC в течение суток. Проростки с длинной корня 3-4 мм высаживали в сосуды с пластиковыми сетками и минеральным раствором (мг/л дистиллированной воды: CaCl2 - 556; KNO3 -658; MgCl2 х 6H2O - 50; (NH4)2SO4 - 13; NH4NO3 - 32; pH=5,5) и выращивали 5 суток в фитотроне при 210С (16 ч день/ 8 ч ночь). В вариантах с алюминием в раствор вносили AICI3 х H2O в количестве 90 мкМ, в вариантах с инокуляцией - суспензию клеток штамма SPB2137 доводили до концентрации 105 KOE/мл. Бактерии вносили одновременно с посадкой стерильных проростков пшеницы. Реакцию растений на токсическое действие ионов AI3+ оценивали путем измерения длины корней. Численность штамма SPB2137 определяли в растворе и на корнях методом последовательных разведений высевом на агари-зованную среду LB [29].
Для определения количества АЦК и L-триптофана в растворах корневых экзометаболитах, их фильтровали под вакуумом через мембранный фильтр с порами 0,45 мкм и концентрировали при 45оС на роторном вакуумном испарителе BUCHI R-200 (BUCHI, Швейцария) до объема 1 мл. Анализ проводили с использованием системы Waters Acquity UPLC H-class (Waters, США). Для определения АЦК использовали стандартный высокочувствительный метод AccQ-Tag (Waters, США). Анализ L-триптофана проводится на колонки Waters UPLC RP-18 BEH Shield (Waters, США) при помощи флуоресцентного детектора (AEX = 280нм, AEX = 350нм). В качестве подвижной фазы использовали 4% ацетонитрил при скорости потока 0,3 мл/мин и температуре колонки 310С. Работу проводили в 3-кратной повторности.
Результаты экспериментов показали, что под действием 90 мкМ хлорида алюминия у пшеницы ^ lutescens сорта Воронежская 6 отмечался явный эффект угнетения корневой системы - длина корней относительно контрольных растений, не подвергавшихся токсическому действию ионов А13+, составляла 58%. У пшеницы Т. aestivum сорта Курьер угнетение роста корневой системы по фону А13+ было не столь существенным и составило 20% относительно контрольных растений. По этим данным сорт Воронежская 6 относится к алюмочувствитель-ным сортам, тогда как сорт Курьер можно отнести к относительно устойчивым.
При инокуляции проростков пшеницы алюмочу-вствительного сорта Воронежская 6 штаммом SPB 2137 токсический эффект ионов алюминия заметно снижался. Длина корней по фону А13+ в присутствии ризобактерий увеличивалась в среднем на 26% и составляла 84% от контроля. У слабо чувствительного к действию алюминия сорта Курьер при инокуляции ризобактериями достоверно значимого ингибирования развития корневой системы практически не наблюдалось (Диаграмма 1).
Численность интродуцируемого штамма SPB 2137, при стартовом значении 105 КОЕ/мл, за 5 суток роста пшеницы сорта Воронежская 6 увеличивалась в растворе на три порядка и составляла в среднем 57,3 х 107 КОЕ/мл. По фону алюминия численность штамма-инокулянта была ниже, чем в контроле, составляя в среднем 27,4 х 107 КОЕ/мл, тем не менее достигая количественных значений, при которых ризобактерии могут оказывать влияние на рост растений [5]. На корнях пшеницы сорта Воронежская 6 ризобактерии обнаруживались как в контроле (1 х 107 КОЕ/корень), так и по фону алюминия (0,5 х 107 КОЕ/ корень).
Численность штамма SPB2137 при инокуляции пшеницы сорта Курьер также увеличивалась на три порядка, достигая в среднем 23,6 х 107 КОЕ/мл. По фону алюминия титр штамма-инокулянта составлял в среднем 10,4 х 107 КОЕ/мл. Бактерии активно заселяли корни пшеницы сорта Курьер как в контрольных вариантах (3,40 х 107 КОЕ/корень), так и при выращивании растений в присутствии токсических ионов алюминия (1,11 х 107 КОЕ/корень).
Проведенный анализ не выявил наличия АЦК в стерильных корневых экзометаболитах 5-ти суточных растений исследуемых сортов пшеницы. С другой стороны показано, что ризосферные псевдомонады могут усиливать корневую экссудацию различных аминокислот [26]. Можно предположить, что положительное действие ризобактерий на рост растений в данном случае не связано со способностью бактерий утилизировать АЦК за счет АЦК-дезаминазной активности.
20
3 15
Л «
U 1 Л
м 10
СР
S 5
öS 5 Я Я
0
Воронеж ская 6
и Т +1 rh rh +
-i-
1 2 3 4 1 2 3 4
Курьер
Диаграмма 1. Влияние штамма Pseudomonas fluorescens SPB 2137 на рост пшеницы в условиях алюминиевого стресса: 1 - контрольные растения; 2 - 90 мкМ AICI3; 3 - инокуляция SPB2137; 4 - 90 мкМ AICI3 и инокуляция SPB2137.
Анализ содержания L-триптофана показал, что у пшеницы сорта Воронежская 6 оно составляло 140 нг/-растение, а у сорта Курьер - 330 нг/растение, что сравнимо с его количеством у высокоотзывчивого на инокуляцию редиса [3]. Однако, отсутствие заметной стимуляции роста корней в контрольном варианте без внесения ионов алюминия показывает, что продуцирование ИУК штаммом SPB2137 может не играть значительной роли в общем антистрессовом действии ризобактерий на исследуемые сорта пшеницы.
Таким образом, полученные результаты показали возможность снижения алюминиевого стресса у пшеницы путем интродукции в ризосферу растений ростстиму-лирующих ризобактерий рода Rseudomonas. Селекция стрессоустойчивых микробно-растительных ассоциаций является перспективным подходом к повышению продуктивности кислых почв.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 15-04-09023-а).
Список литературы
1. Белимов А.А. Взаимодействия ассоциативных бактерий с растениями: роль биотических и абиотических факторов. Palmarium Academic Publishing, 2012, 228.
2. Кравченко Л.В, Макарова Н.М., Азарова Т.С. и др. Выделение и фенотипическая характеристика ростстимулирующих ризобактерий (PGPR), сочетающих высокую активность колонизации корней и ингибирования фитопатогенных грибов. Микробиология, 2002, 71(4), 521-525.
3. Кравченко Л.В., Азарова Т.С, Макарова Н.М., Тихонович И.А. Роль триптофана корневых экзомета-болитов при фитостимулирующей активности ризобактерий. Микробиология, 2004, 73(2), 195-168.
4. Кравченко Л.В., Азарова Т.С., Леонова-Ерко Е.И., Шапошников А.И., Макарова Н.М., Тихонович И.А. Корневые выделения томатов и их влияние на рост и антифунгальную активность штаммов Pseudomonas. Микробиология, 2003, 72 (1), 48-53.
5. Кравченко Л.В., Шапошников А.И., Макарова Н.М. и др. Видовые особенности состава корневых выделений растений и его изменение в ризосфере под влиянием почвенной микрофлоры. С.-х. биол., 2011, №3, 71-75.
6. Пухальская Н.В. Проблемные вопросы алюминиевой токсичности. Агрохимия, 2005, 70- 82.
7. Тихонович И.А., Проворов Н.А. Симбиозы растений и микроорганизмов: молекулярная генетика агро-систем будущего. СПб, Изд-во С.-Петерб. Ун-та, 2009, 210.
8. Чеботарь В.К., Завалин А.А., Кипрушкина Е.И. Эффективность применения биопрепарата Экстрасол. Москва, 2007.
9. Штарк О.Ю., Шапошников А.И., Кравченко Л.В. Продуцирование антифунгальных метаболитов Pseudomonas chlororaphis при росте на различных источниках питания. Микробиология, 2003, 72(5), 645-650.
10. Appanna V.D., Kepes M., Rochon P. Aluminum tolerance in Pseudomonas fluorescens ATCC 13525: Involvement of a gelatinous lipidrich residue // FEMS Microbiol. Lett. 1994, V.119, 295-301.
11. Belimov A.A., Dodd I.C., Safronova V.l., Hontzeas N., Davies W.J. Pseudomonas brassicacearum strain Am3 containing 1-aminocyclopropane-1-carboxylate dea-minase can show both pathogenic and growth-
promoting properties in its interaction with tomato. J. Exp. Bot., 2007, №58, 1485-1495.
12. Bowen G.D. Misconceptions, concepts and approaches in rhizosphere biology // Contemporary Microbial Ecology / Ed. D. C. Ellwood, J. N. Hedger et al., London: Academic Press, 1980, 283-304.
13. Christiansen-Weniger C., Groneman A.F., Vanveen J.A. Associative N2 fixation and root exudation of organic acids from wheat cultivars of different aluminum tolerance. Plant and Soil 1992, 167-174.
14. Fierer N, Jackson R.B. The diversity and biogeography of soil bacterial communities. Proc. Natl. Acad. Sci., 2006, 626-631.
15. Frankenberger W.T. Arshad M. Phytohormones in soils: production and function. Marcel Dekker, Inc. N.Y., 1995, 503.
16. Hartman W.H., Richardson C.J., Vilgalys R., Bruland G.L. Environmental and anthropogenic control of bacterial communities in wetland soils. Proc. Natl. Acad. Sci., 2008, 17842-17847.
17. Haug A. Molecular aspects of aluminum toxicity. CRC Crit. Rev. Plant. Sci., 1983 (1), 345-373.
18. Hede A.R., Skovmand B., Lypez-Cesati J. Acid soils and aluminum toxicity. In: Reynolds, M.P., J.I. Ortiz-Monasterio and A. McNab (eds.). 2001. Application of Physiology in Wheat Breeding. Mexico, D.F.: CIMMYT, 172-182.
19. Jenkins S.N., Waite I.S., Blackburn A., Husband R., Rushton S.P., Manning D.C., et al.. Actinobacterial community dynamics in long term managed grasslands. 2009, 319-334.
20. Johannes R., Philip C. B., Erland B. Contrasting Soil pH Effects on Fungal and Bacterial Growth Suggest Functional Redundancy in Carbon Mineralization. Microbiology, 2009, 1589-1596.
21. Li, X.F., Ma J.F., Matsumoto H. Aluminum-induced secretion of both citrate and malate in rye. Plant Soil. 2002, 235-243.
22. Llugany M., Poschenrieder C., Barcelo J. Monitoring aluminium-induced inhibition of root elongation in four maize cultivars differing in tolerance to aluminium and proton-activity. Physiol. Plant, 1995, 265-271.
23. Lugtenberg B.J.J., Dekkers L., Bloemberg G.V. Molecular determinants of the rhizosphere colonization by pseudomonas. Annu. Rev. Phytopath., 2001, №39, 461-490.
24. Meharg A.A., Killham K. Loss of exudates from the roots of perennial ryegrass inoculated with a range of micro-organisms. Plant Soil, 1995, №170, 345-349.
25. Pellet D.M., Grunes D.L., Kochian L.V. Organic acid exudation as an aluminum-tolerance mechanism in maize. Planta 1995, 788 -795.
26. Phillips D.A., Fox C.T., King M.D. et al. Microbial products trigger amino acid exudation from plant roots. Plant Physiol., 2004, №136, 2887-2894.
27. Qurban A.P., Umme A.N., Othman R., Jusop S., Razi I.M. Eliminating aluminum toxicity in an acid sulfate soil for rice cultivation using plant growth promoting bacteria Molecules 2015, 3628-3646.
28. Ryan P.R., Delhaize E., Randall P.J. Characterisation of Al-stimulated efflux of malate from the apices of Al-tolerant wheat roots. Planta, 1995, 196, 103-110.
29. Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd ed., Cold Spring Harbor: Cold Spring Harbor Lab., 1989.
30. Whipps J.M. Microbial interactions and biocontrol in the rhizosphere. J. Exp. Bot., 2001, №52, 487-511.
