Введение к работе
Актуальность темы. Растения вступают в мутуалистические взаимоотношения с разнообразными видами микроорганизмов. Взаимодействия партнеров структурно, функционально и эволюционно сложны. В таких растительно-микробных ассоциациях эндофитные бактерии занимают особое место. Эндо-фитными называют бактерии, колонизирующие растительные ткани, не вызывая при этом никаких признаков инфекции и не нанося вред растению-хозяину (Halo et al., 2015). Некоторые эндофиты способны не только обитать в растительных тканях без вреда для растения, но и улучшать его жизнь, стимулировать рост, повышать продуктивность (Berg, Hallmann, 2006). Такие микроорганизмы, по мнению авторов, можно относить к группе PGPEB («Plant Growth-Promoting Endophytic Bacteria», «эндофитные бактерии, стимулирующие рост растений») (Tsuchiya, 2009; Егоршина, 2012), или «Plant Growth-Promoting En-dophytes» (PGPE) (Егоршина, 2012). Полезные свойства PGPEB позволили создать на основе некоторых из них биопрепараты для растениеводства. Например, эндофитный штамм Bacillus subtilis 26Д является основой биофунгицида «Фитоспорин-М» (Государственный каталог пестицидов…, 2010). Бактерии рода Bacillus, как потенциальные агенты для создания различных препаратов, активно изучаются (Недорезков, 2003; Zhang et al., 2012). В большинстве научных публикаций эндофитные представители бацилл рассматриваются как антагонисты фитопатогенов, тогда как их свойству повышения устойчивости растений к действию абиотических стрессовых факторов посвящено небольшое количество работ (Мубинов, 2007). Среди таких факторов тяжелые металлы (ТМ) становятся неотъемлемыми компонентами как естественных, так и искусственных экосистем (Титов и др., 2007). В связи с этим особую актуальность приобретают исследования свойств эндофитов, способных повышать устойчивость растений к действию ТМ, а также механизмов этого эффекта.
Цель работы – определить роль эндофитных штаммов Bacillus subtilis в физиологии адаптации растений к действию тяжелых металлов.
Задачи работы. 1) Выявить видовую отзывчивость растений на инокуляцию эндофитными штаммами B. subtilis. 2) Оценить протекторный эффект штаммов на растения в условиях воздействия ТМ. 3) Определить способность эндофитных представителей B. subtilis к иммобилизации кадмия. 4) Оценить влияние эндофитов на аккумуляцию ТМ в растениях. 5) Изучить влияние эндо-фитных штаммов бактерий на основные компоненты физиологического ответа растений к действию ТМ: активность антиокислительных ферментов, перекис-ное окисление липидов, накопление фенольных соединений и фитохелатинов, а также лигнификацию в тканях растений.
Научная новизна. Впервые раскрыта роль эндофитных представителей бактерий B. subtilis (штаммы 26Д (ВНИИСХМ 128) и 11ВМ (ВНИИСХМ 519)) в формировании устойчивости растений к действию ТМ. Показано, что обработка семян с.-х. культур клетками эндофитов повышает устойчивость расте-
ний к токсическому действию кадмия, свинца и никеля. Установлено, что это явление сопровождается уменьшением содержания малонового диальдегида (МДА) в тканях, что свидетельствует о меньшей интенсивности перекисного окисления липидов в клетках растений при стрессе, а также увеличением содержания фенольных соединений и фитохелатинов. Выявлено, что механизмами, препятствующими проникновению ионов кадмия в растения пшеницы, инокулированной эндофитами, могут быть усиление лигнификации клеточных стенок, а также способность клеток бактерий к иммобилизации кадмия.
Научно-практическая значимость работы. Полученные данные раскрывают механизмы действия эндофитных представителей B. subtilis на растения, способствующие повышению последних к действию ТМ. Выявлено, что препараты на основе исследованных штаммов бактерий могут использоваться как стимуляторы роста растений на территориях, загрязненных ионами кадмия, свинца и никеля. Для защиты исследованных видов растений от токсического действия кадмия и свинца в почве эффективнее использовать препарат на основе бактерий B. subtilis штамма 26Д, тогда как при действии никеля – B. subtilis 11ВМ. Эти препараты могут применяться для обработки семян с.-х. культур с целью уменьшения содержания в растениях ионов кадмия или свинца при их концентрациях в почвы не более 10 мг/кг. Бактеризация семян исследованными эндофитами не позволяет уменьшить поступление ионов никеля в растительные ткани, и поэтому подобные микробиологические препараты должны использоваться избирательно для уменьшения поступления только определенных ТМ в растения. Исследованные штаммы бактерий могут использоваться как основа средств, увеличивающих подвижность металлов в почвах и обеспечивающих, таким образом, их доступность для растений.
Связь работы с научными программами. Исследования по теме диссертации поддержаны грантами Стерлитамакского филиала БашГУ «Биологическая технология снижения содержания тяжелых металлов в растениеводческой продукции», «Использование эндофитных бактерий для снижения содержания тяжелых металлов в сельскохозяйственных растениях», часть исследований выполнена в рамках соглашения с Минобрнауки РФ №14.604.21.0016 по теме ПНИР «Разработка многофункционального биопестицида для защиты растений от патогенов и вредителей».
Основные положения, выносимые на защиту. 1) Сельскохозяйственные культуры отличаются по отзывчивости на инокуляцию семян клетками эн-дофитных штаммов бактерий B. subtilis 26Д и 11ВМ. 2) Бактеризация семян клетками указанных штаммов повышает устойчивость растений к стрессу, вызванному ионами кадмия, свинца и никеля. 3) Повышение исследованными эн-дофитными штаммами бактерий устойчивости растений к действию ТМ связано с уменьшением перекисного окисления липидов, увеличением содержания феноль-ных соединений и фитохелатинов в растительных тканях. 4) Эндофитные бактерии B. subtilis 26Д и 11ВМ способны непосредственно участвовать в процес-4
сах поступления и накопления тяжелых металлов в растения.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на: VII международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семипалатинск, 2012), Международной научной конференции по биологии и биотехнологии (Алматы, 2014), Всероссийской конференции с международным участием «Биотехнология – от науки к практике» (Уфа, 2014), Международной научной конференции «Физиология растений – теоретическая основа инновационных агро- и фитобиотехнологий» (Калининград, 2014), Всероссийской научной конференции с международным участием «Растения в условиях глобальных и локальных природно-климатических и антропогенных воздействий» (Петрозаводск, 2015).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, включающей описание материалов и методов исследования, полученных результатов и их обсуждения, заключения, выводов и библиографии из 263 наименований, в том числе 215 на иностранном языке. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, включает 9 рисунков и 12 таблиц, приложение на 3 страницах.
Благодарности. Автор искренне благодарен научному руководителю д.б.н. Р.М. Хайруллину, а также доценту кафедры биологии естественнонаучного факультета Стерлитамакского филиала ФГБОУ ВО «БашГУ», к.б.н. З.М. Курамшиной за неоценимую помощь при выполнении и обсуждении работы.