Введение к работе
Актуальность темы. Среди большого разнообразия азотфиксирующих микроорганизмов — свободноживущих, ассоциативных и симбиотических — основной вклад в биологический баланс азота биосферы вносит функционирование бобово-ризобиального симбиоза. В связи с актуальностью проблемы дефицита пищевого и кормового белка, а также необходимостью увеличения плодородия почв путем обогащения их биологическим азотом, все более настоятельно на первый план выдвигается изучение механизмов функционирования и регуляции симбиотической азотфиксации. В то же время, выращивание бобовых сельскохозяйственных культур часто требует внесения азотных удобрений. В связи с этим возникает проблема не только действия нитрата, как наиболее усвояемой формы азота, на симбиотическую фиксацию азота растениями, но и возможности его усвоения клубеньками по аналогии с корнями, с которыми они этиологически родственны.
Многочисленными исследованиями выявлена активность
нитратредуктазы (HP) в клубеньках большинства бобовых (Randall et al.,1978; Vezina et al., 1988; Minchin et al., 1989) и ее индукция под действием нитрата (Becana, et al., 1989), что дает основание говорить об участии клубеньков в ассимиляции этого иона. Имеются также данные, которые ставят под сомнение наличие у клубеньков нитратассимилирующей функции (Streeter, 1982; Becana et al., 1985; Sprent et al., 1987). Кроме того, по мнению ряда авторов, 95% HP активности клубеньков приходится на фермент бактероидов (Hunter, 1983; Stephens, Neyra, 1983), который по своим функциям является диссимиляторным и отличается от растительного по физиологическому значению и свойствам.
Таким образом, единого мнения относительно ассимиляции нитрата как функции клубеньков до сих пор не сложилось. Возможно, это связано с тем, что клубенек, с точки зрения его основных метаболических свойств, до сих пор мало исследовался как сложная, интегрированная система со всей спецификой, присущей его клеточной и тканевой организации. Актуальным является и вопрос об организации азотассимилирующей функции в системе целостного растительного организма с учетом наличия ее не только у
клубеньков, но и у других органов. Изучение регуляции этой функции за счет донорно-акцепторных отношений при распределении фотоассимилятов, необходимых для фиксации молекулярного и ассимиляции связанного азота, также представляет собой актуальную и малоразработанную проблему.
Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в изучении потенциальной способности двух основных тканевых зон клубенька — коровой и бактероидсодержащей, к ассимиляции связанного (аммонийного и нитратного) азота и возможности реализации этой функции на основе их взаимодействия в нативных клубеньках, а также ее регуляции посредством донорно-акцепторных отношений в системе целостного растительного организма.
В связи с этим решались следующие задачи:
-
Выявить реальную нитратаккумулирующую емкость и определить нитрататтрагирующую роль клубеньков и их основных тканевых зон в нитратном балансе различных органов растительного организма.
-
Изучить возможность реального усвоения нитратного азота на примере регуляции нитратредуктазы, глутаминсинтетазы, глутаматдегидрогеназы и аспарагинсинтетазы в указанных тканевых зонах клубеньков люпина желтого при одновременном и раздельном усвоении симбиотически фиксированного и нитратного азота.
-
Изучить особенности тканевых взаимоотношений в нативных клубеньках с учетом реализации их азотфиксирующей и нитратассимилирующей функций за счет углерода главного транспортного продукта - сахарозы.
-
Исследовать донорно-акцепторные отношения в системе целостного растительного организма сои при распределении 14С - фотоассимилятов по органам в процессе усвоения симбиотически фиксированного и нитратного азота.
Научная новизна. В работе впервые исследована тканевая организация процесса усвоения аммонийного и нитратного азота на уровне бактероидсодержащей и коровой зон корневых клубеньков люпина желтого. Показано, что в цепи метаболических превращений кора зависима от притока из инфицированной зоны сахарозы и первичных аминокислот, на основе которых синтезируется собственный пул аминокислот и амидов, необходимых
клубенькам и растению. Выявлена депонирующая функция коры по отношению к аминокислотам, синтезируемым в обеих тканевых зонах клубенька. Инкубирование растений и тканевых зон клубеньков на среде с 14С-сахарозой, а также определение активности ключевых ферментов ассимиляции нитратного и аммонийного азота показало, что нитратассимилирующая функция не реализуется в активно функционирующем клубеньке. Определена специфика донорно-акцепторных отношений в системе целостного растительного организма при распределении фотоассимилятов в условиях одновременного и раздельного усвоения симбиотически фиксированного и нитратного азота.
Практическая значимость работы. Результаты исследования существенно дополняют представления об организации и характере взаимодействия тканевых зон клубенька при осуществлении его азотассимилирующей функции и помогают понять природу процессов, происходящих как в клубеньках, так и в целом растительном организме, при наличии в среде нитрата, в концентрациях, ингибирующих и неингибирующих азотфиксацию клубеньков. С практической точки зрения, полученные результаты дают возможность разработать научно-обоснованные подходы применения различных форм азотных удобрений с целью повышения продуктивности бобовых культур, избегая при этом ингибирующего действия связанного азота на азотфиксацию.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на II Международном симпозиуме " Стресс и ассимиляция неорганического азота" (Москва, , 1996), II! ежегодном симпозиуме "Физико-химические основы физиологии растений и биотехнология" (Москва, 1997).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано четыре работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав (обзор литературы, материалы и методы исследования, 3 главы экспериментальной части), заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Диссертационная работа изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 7 рисунков и 7 таблиц. Список цитируемой литературы включает 359 публикаций, из них 292 зарубежные.
