Введение к работе
Актуальность темы. Проблемы сохранения окружающей среды и устойчивого развития сельского хозяйства стимулируют современный мульти-дисциплинарный подход к исследованиям, стратегическая цель которых — повышение интенсивности фиксации азота как за счет азотфиксирующего потенциала бобовых, так и путем создания новых симбиотических ассоциаций с небобовыми селькохозяйственными культурами.
Растения семейства Бобовые (Fabaceae Lindl.), благодаря своей уникальной способности вступать в симбиотические отношения с клубеньковыми бактериями, имеют «встроенный» источник азота, позволяющий им удовлетворять свои потребности в этом основном элементе питания при недостаточном содержании его в почве.
Симбиоз между клубеньковыми бактериями и бобовыми растениями основывается на сложной последовательности морфофизиологических изменений клеток партнеров. Начальные стадии взаимодействия инициируются каскадом сигналов, которыми симбионты обмениваются между собой, и сопровождаются серией молекулярных взаимодействий. Первичным сигналом служат специфические фенольные соединения (ФС), в частности флавоноиды, выделяемые корнями в ризосферу и вызывающие хемотаксис и экспрессию генов нодуляции у ризобий. В ответ бактерии синтезируют липохитоолигосахариды (Nod-факторы), запускающие программу развития корневых клубеньков. Аспекты молекулярного взаимодействия партнеров на начальных стадиях в основном известны, однако комплексный подход к использованию этих знаний для улучшения нодуляции и азотфиксации до сих пор не разработан. Не ясен и механизм регуляции более поздних этапов развития симбиоза.
Электронно-микроскопические исследования корневых клубеньков позволяют проследить взаимосвязь их структуры и функциональной активности. Морфоструктура клубеньков отдельных видов бобовых отражает различия как в инфекционном процессе, так и в программах органогенеза. Более того, эта характеристика симбиотических структур является важным таксономическим признаком и связана с эволюционным положением видов внутри семейства Fabaceae (Corby, 1981, 1988; Sprent, Raven, 1992; Doyle, 1998). Исследования морфологии, анатомии и развития клубеньков многочисленны, но касаются, главным образом, культурных растений. Детали морфоструктуры и онтогенеза клубеньков дикорастущих, особенно сибирских, видов, изучены недостаточно.
Цель и задачи исследования. Цель работы — выявление структурно-функциональных связей бобово-ризобиального симбиоза и определение механизмов повышения его эффективности.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: 1. Изучить ультраструктуру корневых клубеньков модельных дикорастущих сибирских видов и интродуцентов с помощью методов сканирующей микроскопии.
-
Определить влияние нодуляции на фенольный метаболизм бобовых растений.
-
Проанализировать действие экзогенных фенольных соединений и физиологически активных веществ на симбиоз.
4. Разработать биотехнологические методы усиления эффективности
симбиотической азотфиксации в полевых условиях.
5. Определить пути повышения устойчивости симбиотических ассоциаций при
воздействии стрессовых факторов (температуры, засоления, нитратов).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Морфология бактероидов и особенности их распределения в растительных
клетках специфичны на уровне вида.
-
Процесс нодуляции бобовых растений сопровождается активизацией метаболизма фенольных соединений, свидетельствующей об их участии в регуляции онтогенеза корневых клубеньков.
-
Ряд природных фенольных соединений в низких концентрациях стимулирует нодуляцию и азотфиксацию, повышает устойчивость симбиоза к стрессам, что является основой для создания биотехнологических препаратов, способствующих увеличению продуктивности бобовых культур.
Научная новизна. Впервые с помощью метода сканирующей микроскопии проанализирована структура корневых клубеньков 16 модельных видов (дикорастущих и интродуцентов) из 6 триб подсемейства Papilionoideae семейства Fabaceae и показана ее специфичность на уровне вида. При изучении фенольного метаболизма в корнях и корневых клубеньках линий гороха, различающихся по уровню симбиотической активности, впервые обнаружен специфический фермент флавонолоксидаза. Установлен стимулирующий эффект низких концентраций ряда фенольных соединений на нодуляцию и азотфиксацию. Проведен анализ взаимосвязи структуры и функциональной активности симбиотических систем при различных типах стрессовых воздействий.
Практическая значимость. Полученные нами данные, касающиеся особенностей функционирования симбиотических систем в стрессовых условиях, позволяют определить новые подходы к решению задачи повышения устойчивости симбиоза к экстремальным факторам среды.
Результаты полевых испытаний, показавшие эффективность комплексного использования изучаемых фенольных соединений и нитрагина, рекомендуется учитывать при разработке новых биотехнологических методов повышения продуктивности бобовых культур.
Апробация работы. Результаты работы были отражены в докладах на конференциях молодых ученых ботанических садов СССР (Каунас, 1979; Белая церковь, 1984), IV и V симпозиумах по фенольным соединениям (Ташкент, 1982; Таллинн, 1987), на 7, 8, и 9 Баховских коллоквиумах по азотфиксации (Тбилиси, 1983; Кобулети, 1988; Москва, 1995), VII съезде Всесоюзного микробиологического общества (Алма-Ата, 1985), Международном симпозиуме по физиологии, биохимии, генетике солеустойчйвости растений (Ташкент, 1992), II, III и V съездах физиологов
' '. М »
растений (Минск, 1992; С.-Петербург, 1993; Москва, 1999), Международном симпозиуме по роли фенольных соединений в устойчивости растений (Германия, 1993), X Международном Конгрессе по азотфиксации (С.-Петербург, 1995), Международном симпозиуме по стрессу (Москва, 1996), VIII Международном Конгрессе по бактериологии и прикладной микробиологии (Иерусалим, 1997), Всероссийском совещании в честь 120-летия ТГУ (Томск, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ, включая коллективную монографию.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 225 страницах машинописного текста, состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы, и включает 57 рисунков и 21 таблицу. Список литературы состоит из 442 источников, в том числе 359 — иностранных авторов.