Розділ 2 Вплив чистих та змішаних культур Bradyrhizobium japonicum
на врожайність сої
2.1. Деякі властивості бульбочкових бактерій
Родина Rhizobiaceae включає наступні роди: Rhizobium - штами бульбочкових бактерій, які швидко ростуть; Bradyrhizobium - штами, які повільно ростуть; Agrobacterium - бактерії, які вільно живуть; Phyllobacterium - рослинні патогени, що викликають гіпертрофію листка у рослин родин маренових і мірсінових, а також роди Azorhizobium та Sinorhizobium [156, 165, 174]. Швидкоростучі штами бульбочкових бактерій утворюють три гілки: Rhizobium, Sinohizobium і Agrobacterium. Одна з цих гілок включає тільки штами Sinorhizobium, в той час як дві інші представлені бактеріями двох родів - Rhizobium і Agrobacterium. На сьогоднішній день признана необхідність відокремлення гілки Rhizobium loti - R.huakuii від інших швидкорослих бульбочкових бактерій [92]. Штами Mesorhizobium (Rhizobium loti, R.huakuii) формують четверту філогенетичну гілку, еволюційно подібну штамам Phyllobacterium. Культури Azorhizobium займають окреме проміжне положення. Для цього роду був запропонований єдиний вид - A.caulinodans [175]. Повільнорослі штами роду Bradyrhizobium складають п'яту, найбільш віддалену гілку [92, 156].
До бульбочкових бактерій, які ростуть швидко, відносять бактерії гороху, конюшини, віки, квасолі і т.д. До бактерій, які повільно ростуть - бульбочкові бактерії люпину, сої, арахісу та інші. Вважають, що низька швидкість росту бактерій визначається меншим ступенем їх прототрофності в порівнянні з культурами, які швидко ростуть [38].
За даними В.К.Шильникової (1979), бульбочковим бактеріям властива значна поліморфність. Вони можуть мати форму дрібних і великих паличок, бактероїдів, кокоподібних рухливих клітин. Їм властиві різні способи розмноження - поділ і брунькування паличкоподібних форм, брунькування і фрагментація бактероїдів [151].
Бульбочкові бактерії - типові грамнегативні представники ґрунтової мікрофлори, які здатні до тривалого сапрофітного існування без рослини-хозяїна. Вони легко можуть бути виділені з ґрунту чи бульбочок і підтримуватись в лабораторних умовах на нескладних поживних середовищах [114].
Ці бактерії - хемоорганотрофні мікроорганізми. Види Rhizobium, які швидко ростуть, можуть асимілювати різноманітні вуглеводи і органічні кислоти, в той час як культури, що повільно ростуть, використовують пентози і в меншій мірі лактозу і рафінозу. Бульбочкові бактерії добре засвоюють багатоатомні спирти: маніт, ерітрит, гліцерин, арабіт, сорбіт. Більшість штамів цих бактерій при вирощуванні в лабораторних умовах потребують біотину, тіаміну, пантотенової кислоти [84].
Як джерело сірки в поживних середовищах застосовують сульфат магнію; фосфору - одно - або двозаміщені солі фосфорнокислого калію, які забезпечують також буферність середовища. Оптимальні для всіх штамів ризобій значення рН складають 6,5 - 7,5. Під час росту ризобій ці показники дещо змінюються: штами, що швидко ростуть, як правило, підкислюють середовище, а штами, що повільно ростуть - підлужнюють. Культури бульбочкових бактерій добре розвиваються в температурному інтервалі 24 -28?С. При температурі біля 0 і 37?С ріст практично зупиняється [114].
За літературними даними, гомологія ДНК ризобій, які ростуть швидко та повільно, не перевищує 20-30% [251, 262]. Ризобії, які повільно ростуть характеризуються більш високим вмістом ГЦ-пар в ДНК на відміну від ризобій, які швидко ростуть (61,5-65,5 і 58,6-63,1% відповідно) і мають приблизно вдвічі більший розмір геному (5-6?109 і 3?109Д відповідно) [102, 250].
Важливе значення для функціонування бульбочкових бактерій мають їх позаклітинні ліпополісахариди [56, 191]. Відомо, що бактеріальні екзоглікани: екзополісахариди (ЕПС) і капсульні полісахариди (КПС) беруть участь у формуванні симбіозу між бульбочковими бактеріями (Rhizobium, Sinorhizobium, Bradyrhizobium) і представниками родини бобових рослин [53, 57, 167, 223].
У літературі досить широко висвітлено спроможність ЕПС швидкорослих ризобій взаємодіяти з лектинами рослин-господарів і брати участь у формуванні симбіозу [53]. Дані стосовно ЕПС повільнорослих ризобій сої зовсім фрагментарні [52, 223, 224].
Бульбочкові бактерії синтезують значну кількість ліпідів, склад яких в певній мірі визначається видовою приналежністю і азотфіксуючою активністю штамів. До складу клітинних ліпідів Rhizobium входять фосфоліпіди, моно- і дигліцериди, вільні жирні кислоти, тригліцериди, вуглеводні та інші речовини. Характерною особливістю активних штамів є порівняно високий вміст вільних жирних кислот з ненасиченими зв'язками. Бульбочкові бактерії синтезують вітаміни групи В і ростові речовини. До останніх належить ?-індолілоцтова кислота, цитокініни, гібереліни і гібереліноподібні речовини. Відомо, що такі ендогенні регулятори росту, як ауксини, цитокінини, гібереліни, абсцизова кислота та інші, беруть участь у процесі становлення симбіотичних взаємозв'язків між бобовими рослинами і представниками родини Rhizobiaceae ще до утворення на коренях бульбочок [60, 108, 136, 145]. Крім того, Rhizobium синтезують порфірини та каротиноїди [84].
Розвиток бульбочки представляє собою багатоступеневий процес, що супроводжується морфологічним та біохімічним диференціюванням клітин макро- і мікросимбіонта, що призводить до фіксації атмосферного азоту бактеріями і його асиміляції рослиною-господарем [246]. Виділяють наступні етапи утворення бульбочки: хемотаксис, індукція експресії nod-генів бульбочкових бактерій і виділення nod-фактора, скручування кореневих волосків, утворення інфекційних ниток, поділ клітин кори коріння, морфогенез бульбочки, проникнення бактерій в клітини рослини з наступним їх перетворенням в бактероїди, функціонування зрілої бульбочки [193, 216, 257].
На першому етапі симбіозу, ризобії вступають в контакт з бобовою рослиною і викликають в неї реакції розпізнавання [168, 172, 215, 217, 258]. Цей процес відбувається у вигляді обміну специфічними сигнальними м