Введение к работе
Актуальность темы. Симбиоз между бобовыми растениями и клубеньковыми бактериями (ризобиями) вносит существенный вклад в баланс азота почвы. Сохранение и повышение почвенного плодородия за счет использования бобово-ризобиальных систем составляет основу «биологического земледелия» и на сегодняшний день является одним из перспективных подходов по сравнению с производством и применением минеральных азотных удобрений. Много лет ризобии привлекают внимание ученых благодаря способности взаимодействовать с растениями и при этом специфически модифицировать их развитие (Шумный, 1991; Сидорова, 2006).
Значительное внимание в последнее время уделяется вопросам изучения поверхностных структур бактериальных и растительных клеток, с помощью которых осуществляется их взаимодействие при формировании ассоциативных и симбиотических систем, в частности, лектинам бактерий. Имеются сведения о том, что лектины (агглютинины) почвенных азотфиксирующих бактерий проявляют адгезивные свойства и принимают самое непосредственное участие в процессе прикрепления их к корням растений (Карпунина, Никитина, Трихачева, 1989; Никитина, Итальянская, Карпунина, 1989; Никитина и др., 1994; Никитина и др., 1996; Аленькина, Никитина, 1997; Карпунина, Соболева, 2001; Карпунина, 2002). Лектины азоспирилл, бацилл и агглютинины ризобий взаимодействуют с различными компонентами корней растений, для некоторых из них выделены растительные рецепторы (Карпунина, 1995; Никитина и др., 2002; Молекулярные основы…, 2005). Несмотря на это, физиологические, молекулярные и другие механизмы, предшествующие образованию и функционированию азотфиксирующих систем как ассоциативных, так и симбиотических остаются недостаточно изученными. Встречаются публикации относительно влияния поверхностных структур партнеров (экзо- и липополисахаридов) бактерий, а также лектинов растений на нодуляционную активность ризобий и эффективность их симбиоза с растениями (Herouart et al., 2002; Ferguson, Mathesius, 2003; Laus et. al., 2006; Paul et. al. 2006). Практически отсутствуют сведения о влиянии агглютининов ризобий на начальные этапы симбиотических взаимоотношений, в частности, на морфогенез (деформацию) и клубенькообразование корней двудольных растений.
В связи с этим исследования, посвященные изучению влияния агглютининов ризобий на начальные этапы процесса образования симбиоза (на деформацию, процессы модуляции проростков корней гороха, формирование и функционирование клубеньков), являются актуальными и представляют значительный научный интерес.
Цель работы - изучить влияние агглютининов Rhizobium leguminosarum 252 (R1 и R2) и неагглютинирующих белков (R1 и R2) R.leguminosarum 252/7 на формирование симбиоза: деформацию корневых волосков, формирование клубеньков гороха и их ферментативную активность.
Задачи исследования:
-
Изучить влияние агглютининов R. leguminosarum 252 (R1 и R2) и неагглютинирующих белков (R1 и R2) R. leguminosarum 252/7 на деформацию корневых волосков гороха (Pisum sativum).
-
Исследовать влияние агглютининов R1 и R2 и неагглютинирующих белков R1 и R2 на процесс образования клубеньков.
-
Определить пектинолитическую, протеолитическую активность, а также активность щелочной и кислой фосфатаз в клубеньках гороха при взаимодействии их с агглютинирующими и неагглютинирующими белками ризобий.
-
Исследовать влияние агглютининов и неагглютинирующих белков ризобий на активность метлегоглобинредуктазы, глутаматсинтетазы и пероксидазы клубеньков гороха.
Научная новизна работы
Впервые обнаружена способность агглютининов R1, R2 - R. leguminosarum и белка R1 - R. leguminosarum 252/7 увеличивать количество деформаций корневых волосков корней гороха. Показано, что агглютинирующие и неагглютинирующие белки ризобий оказывают влияние на морфологию корней проростков гороха. Взаимодействие проростков корней гороха с агглютининами (R1 и R2) R. leguminosarum 252 и белками (R1 и R2) R. leguminosarum 252/7 способствуют формированию клубеньков гороха, в основном, эффективных (R1, R2 и R1), а в случае с неагглютинирующим белком R2 - неэффективных клубеньков. Впервые показано, что агглютинины ризобий (R1 и R2) и белки мутантного штамма R. leguminosarum 252/7 (R1 и R2) влияют на активность ряда гидролитических ферментов в клубеньках гороха. Агглютинины R1, R2 и R1 способны увеличивать активность пектиназы, протеолитической, щелочной и кислой фосфатазы, а R2 - уменьшать их активность. Агглютинин R1, R2 и белок R1 ризобий приводит к увеличению активности метлегоглобинредуктазы, и глутаматасинтетазы, а R2 - к уменьшению активности оксидоредуктаз. Пероксидазная активность увеличивалась при взаимодействии с белками R1 и R1 и уменьшалась с R2 и R2 клубеньковкорней гороха.
Практическая значимость
Полученные результаты по изучению влияния агглютининов R. legumi-nosarum 252 (R1 и R2) и неагглютинирующих белков R. leguminosarum 252/7 (R1 и R2) на деформацию корневых волосков, клубенькообразование корней гороха и их ферментативную активность расширяют имеющиеся представления о формировании и функционировании бобово – ризобиального симбиоза, что в перспективе может найти применение в агробиценозах в качестве экологически недорогого азотного удобрения.
По материалам диссертационной работы опубликованы методические рекомендации «Изучение влияния агглютининов Rhizobium leguminosarum 252 на активность ферментов в клубеньках гороха» для практических занятий студентов старших курсов, а также для работы аспирантов и научных работников, специализирующихся в области микробиологии, биохимии и физиологии растений, рекомендованные Учебно-методической комиссией и одобренные ученым советом факультета ветеринарной медицины и биотехнологии Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова (протокол № 41 от 29.04.10 г.). Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций по микробиологии в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».
На защиту выносятся следующие положения:
-
Агглютинины R. leguminosarum 252 - R1 и R2, и неагглютинирующий белок R1 - R. leguminosarum 252/7 приводят к увеличению, а R2 к уменьшению количества деформаций корневых волосков корней гороха (Pisum sativum).
-
Агглютинины и неагглютинирующие белки ризобий оказывают влияние на морфологию корней проростков гороха, приводя к редукции боковых корней и увеличению длины главного корня при их взаимодействии с агглютинином R1 и белком R1. Напротив, при взаимодействии корней проростков гороха с агглютинином R2 и белком R2 – к развитию боковых корней и уменьшению длины главного корня.
-
Агглютинины R1, R2 и белок R1 оказывают воздействие на образование эффективных клубеньков.
-
Под действием агглютининов и неагглютинирующего белка R1 ризобий увеличивается активность ряда гидролитических ферментов (пектиназы, протеазы, щелочной и кислой фосфатазы) в клубеньках гороха.
-
Агглютинины R1, R2 и неагглютинирующий белок R1 приводят к увеличению метлегоглобинредуктазной и глутаматсинтетазной активности оксидоредуктаз, а R2 - к уменьшению их активности. Пероксидазная активность в клубеньках гороха увеличивалась при взаимодействии с белками R1 и R1 и уменьшалась c R2 и R2.
Работа выполнена на кафедре микробиологии, вирусологии и иммунологии факультета ветеринарной медицины и биотехнологии ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» в рамках научно-исследовательской темы: «Роль биологически активных веществ (лектины, экзополисахариды) в регуляции метаболизма про- и эукариот».
Апробация работы
Материалы диссертации были представлены на: конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по итогам научно-исследовательской и учебно-методической работы (Саратов, 2003; 2004); Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты исследования симбиотических систем» (Саратов, 2007); четвёртой Межрегиональных конференциях молодых ученых «Стратегия взаимодействия микроорганизмов и растений с окружающей средой» (Саратов, 2008); Всероссийской молодёжной выставке - конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций (Саратов, 2009); конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов по итогам научно-исследовательской, учебно-методической и воспитательной работы (Саратов, 2012).
Личный вклад соискателя состоит в подготовке и проведении научных экспериментов, решаемых в рамках диссертационной работы, интерпретации полученных результатов и подготовке публикаций.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем диссертации
