Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1. Жизнедеятельность комнатных растений по сезонам 10
1.2. Роль внешних факторов в сезонной динамике жизнедеятельности растений природных экосистем 15
1.3. Сообщество эпифитных микроорганизмов растений 18
1.3.1. Эпифитные микроорганизмы филлосферы 21
1.3.2. Эпифитные микроорганизмы корневой системы 26
1.4. Взаимоотношение растений с микроорганизмами 36
Глава 2. Объекты и методы исследований 47
Глава 3.Взаимодействие комнатных растений с симбиотрофными бактериями в сезонной динамике 52
3.1. Сезонная динамика эпифитных бактерий филлопланы комнатных растений . 52
3.2. Сезонная динамика бактерий ризопланы комнатных растений 57
3.3. Сезонная динамика симбиотрофных бактерий ризосферы комнатных растений 60
Глава 4.Роль диазотрофных бактерий в жизнедеятельности комнатных растений 70
4.1. Сезонная динамика численности диазотрофных бактерий ризосферы комнатных растений 70
4.2. Биологическая активность почвенных субстратов комнатных растений по сезонам 76
Глава 5. Оценка антимикробных свойств комнатных растений 80
5.1. Изучение антимикробных свойств летучих веществ комнатных растений с помощью бактериальной биолюминесценции 80
5.2. Исследование бактерицидного действия соков комнатных растений на патогенные микроорганизмы 85
Заключение 93
Практические рекомендации 99
Выводы 100
Библиографический список 102
Приложение 124
- Жизнедеятельность комнатных растений по сезонам
- Сезонная динамика эпифитных бактерий филлопланы комнатных растений
- Сезонная динамика численности диазотрофных бактерий ризосферы комнатных растений
Введение к работе
Комнатные растения играют большую роль в создании эстетически приятной и комфортабельной обстановки, в интерьерах различных типов. Широкое распространение и возрастающая популярность комнатных растений, создает предпосылки для всестороннего исследования их жизнедеятельности. Анализ литературных данных по изучению комнатных растений показал, что основное внимание уделяется вопросам их культивирования. Отсутствуют исследования, касающиеся особенностей их жизнедеятельности, в связи с условиями их обитания в течение года, они ограничиваются научными данными общефизиологической направленности.
Комнатные растения заселяют специфическую среду обитания, которая отличается от природных экосистем стабильностью абиотических факторов. Большинство из них - это выходцы тропических и субтропических зон, и практически не испытывают в течение онтогенеза сезонных колебаний температурного фактора.
Кроме того, в эргономических системах рост растений характеризуется ограниченным объемом почвенного субстрата, отсюда следует тесное взаимодействие всех звеньев данной экосистемы (автотрофного — растения, и гетеротрофного - микроорганизмов) через продукты метаболизма. Интегральным показателем взаимодействия высших растений и микроорганизмов, в целом, является плотность эпифитов по отношению к поверхности листьев и количество микроорганизмов в корневой зоне.
Изучение микробно-растительных взаимодействий - одно из быстро развивающихся направлений современной биологии. В настоящее время популярность приобретают работы, основанные на использовании индикаторных свойств симбиотрофных бактерий (Степанова, 2002). Экспериментально показано, что эпифитная микробиота может служить показателем в микробиологическом мониторинге автотрофного яруса трофической структуры экосистемы (Полонская, 2002). На растениях
5 природных зон также установлено существование взаимосвязей между отдельными показателями физиолого-биохимического состояния растений (жизнедеятельностью) и численностью эпифитов, обусловленных метаболизмом растения (Делова, 1967).
Постоянная вегетация комнатных растений в течение года затрудняет выделение у них периодов покоя и активного роста, а также выявление периодов антимикробной активности, что является важным для их культивирования. Стандартный анализ этих изменений является длительным и трудоемким, и экономически не выгодным.
В связи с этим, для изучения жизнедеятельности комнатных растений в сезонной динамике актуальным является применение косвенной индикации, а именно, по количеству эпифитных бактерий.
Цель работы: установить сезонную динамику жизнедеятельности комнатных растений методом микробиологической индикации для обоснования функциональных связей в данном биоценозе и практического использования в фитоэргономике.
Задачи:
Выявить взаимосвязь численности эпифитных бактерий филлопланы и корневой системы с сезонной динамикой жизнедеятельности комнатных растений.
Изучить роль свободноживущих диазотрофных бактерий ризосферы в жизнедеятельности комнатных растений по сезонам.
3. Изучить особенности биологической активности почвенных
субстратов комнатных растений в различные периоды вегетации.
4. Определить антимикробные свойства летучих веществ комнатных
растений с помощью бактериальной биолюминесцентной системы.
5. Определить антибиотическую активность тканевых соков некоторых
комнатных растений на ряд патогенных культур бактерий.
Научная новизна:
Впервые проведена оценка сезонной динамики жизнедеятельности
комнатных растений по численности индикаторных эпифитных бактерий.
щ Показано, что при относительном постоянстве абиотических факторов у
комнатных растений в течение года наблюдается ритмика физиологических
процессов, она неоднозначна для растений разных систематических групп.
Симбиотрофные бактерии могут быть индикаторами жизнедеятельности постоянно вегетирующих комнатных растений.
Выявлено, что летучие вещества комнатных растений обладают не
^ бактерицидными, а бактериостатическими свойствами. Тканевые соки
листьев комнатных растений проявляют избирательное бактерицидное
действие в отношении определенных групп патогенных бактерий, которое
меняется по сезонам.
Показано, что в жизнедеятельности комнатных растений существенное значение имеют свободноживущие диазотрофные бактерии, способные поддерживать азотное питание комнатных растений в течение года.
Тканевые соки некоторых комнатных растений, широко используемых в народной медицине (алоэ обыкновенное, каллизия душистая), не обладают бактерицидным действием, что важно учитывать при их применении.
Практическая значимость:
Численность эпифитных бактерий находится в тесной взаимосвязи с жизнедеятельностью комнатных растений и может служить показателем физиологической активности растения в течение года. Микробиологические методы индикации жизнедеятельности комнатных растений следует рекомендовать для внедрения в лабораторную практику.
Показано, что комнатные растения могут длительно существовать без внесения минеральных веществ, в том числе и азота, что позволяет
рассчитать периоды подкормки растений в условиях горшечной культуры.
Полученные результаты существенно дополняют имеющиеся сведения,
относительно жизнедеятельности комнатных растений, что позволяет
7
использовать их при разработке принципов фитоэргономики и в других
научных направлениях, а также в учебно-просветительской деятельности.
Положения, выносимые на защиту:
< 1. Постоянно вегетирующие комнатные растения имеют сезонную
динамику жизненного состояния, выражающуюся в продукции экзометаболитов.
2. Количественные показатели эпифитных бактерий филлопланы
являются индикаторами сезонной физиологической активности комнатных
растений.
Ф 3. Летучие вещества комнатных растений обладают не
бактерицидной, а бактериостатической активностью, которая отличается у разных растений и меняется по сезонам.
Антимикробная активность тканевых соков комнатных растений в отношении патогенных бактерий является слабой, либо совсем отсутствует у ряда растений.
Динамическое состояния изучаемой симбиотрофной микробиоты комнатных растении свидетельствует о том, что в условиях закрытых помещений жизнедеятельность растений аналогично таковой в природных экосистемах.
Апробация работы:
Результаты исследований были представлены:
III Южно-Сибирской региональной научной конференции «Экология Южной Сибири» (Абакан, 1999);
III Российской конференции чтения памяти Л.М. Черепнина «Флора и растительность Сибири и Дальнего Востока» (Красноярск, К11ІУ, 2001);
II Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука XXI века» (Красноярск, КГПУ, 2001);
XI international symposium on bioindicators: «Problems of today in
bioindicationand biomonitoring» (Syktyvkar Komi Republic, 2001);
Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука на рубеже веков» (Красноярск, 2003);
III региональной научно-практической конференции «Инновационные процессы в образовательных учреждениях северного региона Иркутской области» (Усть-Илимск, 2004).
Публикации; по материалам диссертации опубликовано 8 работ и 2 находятся в печати.
Жизнедеятельность комнатных растений по сезонам
Комнатные растения, в отличие от объектов природных биогеоценозов, в значительно меньшей степени подвергаются воздействию колебаний внешних факторов в течение года. Растения в условиях интерьеров практически не испытывают в течение онтогенеза сезонных колебаний температурного фактора, то есть зимняя фаза, приводящая к спаду жизнедеятельности растений в природных условиях, не сказывается прямо на росте комнатных растений. Однако периодичность фаз вегетации для оранжерейных растений также характерна, как и для дикорастущих видов.
Каждое растение для нормального развития нуждается в определенных микроклиматических условиях, которые связаны с происхождением комнатных растений. Среди них преобладают вечнозеленые представители тропической и субтропической флоры, как наиболее пластичные, и более адаптивные, чем представители умеренной зоны, к микроклиматическим условиям помещений (Гродзинский, Макарчук, Лешинская, 1986).
Исследованиями микроклиматических условий в интерьерах, с точки зрения пригодности их для жизнедеятельности растений, установлено (Кузьмина-Медова, 1978), что свет является лимитирующим фактором в осенне-зимний период, а температура и влажность воздуха близки к оптимальному уровню.
Условия освещения в интерьерах непостоянны. Они зависят от времени года, суток и ориентации источника света, от толщины стекла и расстояния до источника света и других факторов.
Свет, который получают комнатные растения, имеет несколько измененный состав лучей (так, оконные стекла не пропускают ультрафиолетовую часть спектра) и очень ослаблен (Кузьмина-Медова, 1978). Так, например, растения, находящиеся на подоконнике, получают до 80 % уличного света; удаленные на 0,5 м от окна - 50 %, на 1 м - 30 % , а на расстоянии 3 м - всего 3-5 % (Гортинский, Яковлев, 1993). Итак, ритм роста находится в тесной зависимости от светового режима в интерьере и связан с экологической природой растений (светолюбием и теневыносливостью). Все фотоиндуцируемые процессы, такие, как прорастание семян, образование цветков, листопад, а у многих растений также сезонное чередование активности и покоя регулируются фитохромной системой.
В качестве критерия оценки светового режима в интерьерах с точки зрения пригодности его для растений используют такой показатель, как компенсационная точка фотосинтеза, поскольку фотосинтез - один из ведущих фотобиологических процессов, обеспечивающий жизнедеятельность растений. Согласно литературным данным, положение компенсационной точки неодинаково для теневыносливых и светолюбивых видов растений. Установлено (Лархер, 1978), что основное отличие теневыносливых растений и светолюбивых заключается в том, что их компенсационная точка лежит гораздо ниже. В то же время интенсивность дыхания у теневых растений также ниже по сравнению со световым. Поэтому они могут при небольшой освещенности осуществлять накопление органического вещества, перекрывая потери на дыхание. Световая компенсационная точка - достаточно лабильная величина. Она равна приблизительно 700 - 2000 лк для светолюбивых растений и 100 — 400 лк для теневыносливых и зависит от видовых особенностей растений и условий, к которым они адаптированы.
Экспериментально показано, что теневыносливые виды вегетируют при освещенности около 700 - 1000 лк, а светолюбивые - при более высокой (1500 — 5000) лк. Период покоя у теневыносливых видов наступал при снижении интенсивности освещения до 140 лк, а у светолюбивых - до 700 лк (Кутас, 1984). Таким образом, наиболее благоприятный световой режим для протекания процесса фотосинтеза, а вместе с тем для нормальной жизнедеятельности растений, складывается в весенне-летний период.
В связи с изменением освещенности в интерьере, у комнатных растений по сравнению с растениями открытых экосистем, обнаружена лабильность количественных элементов анатомической структуры листа, что, является одним из способов их приспособления к различным световым условиям. Приспособление растений к условиям светового режима зависит не только от экологической природы, лабильности количественных показателей анатомической структуры листовой пластинки, но и от типа пигментной системы пластид, на основе которой выделяют два типа растений: фотолабильный и фотостабильный.
Более стойкими к действию света различной интенсивности (с точки зрения сохранения декоративных качеств) оказались растения с фотостабильным типом пигментной системы, менее стойкими - с фотолабильным. Показано, что растения с фотостабильным типом пигментной системы можно размещать в интерьере без учета степени их светолюбия или теневыносливости, а растения с фотолабильным типом - с обязательным учетом этих особенностей (Кутас, 1984).
Немаловажную роль для тропических и субтропических растений играет температурный режим. Суточная температура осенью в интерьерах почти не опускается ниже 13 С и не поднимается выше 18 С. Зимой она находится в пределах 15 - 21 С. В этот период отдельные виды теряют декоративность и чувствуют себя угнетенно, а другие (азалии, камелии, некоторые виды хвойных) лучше цветут и более декоративны. Весной колебания температуры возрастают, она достигает 18 — 25 С. В летнее время температура держится относительно высокой в течение суток и составляет 22 — 28 С (Кузьмина-Медова, 1978; Кутас, 1984). Для растений в интерьере наиболее критический период - май, сентябрь, в момент окончания и начала отопительного сезона. Исследования конкретных температурных зависимостей фотосинтеза (Milner, Hiesey, 1964; Pisek el al., 1967; Бондаренко, 1972; Герасименко, 1973) показывают, что температурный оптимум фотосинтеза — достаточно лабильная величина, колеблющаяся от 15 до 30С независимо от климатической области, в которой произрастают растения. Есть данные (Лайск, 1977) о том, что интенсивность фотосинтеза не зависит от температуры при световом ограничении 3,9 мВт-см (3600 лк), если она выше 13 С, и снижается при температуре ниже 13 С.
Следовательно, температура воздуха в интерьере почти вкладывается в диапазон температур, необходимых для протекания процесса фотосинтеза на протяжении всего года.
Влажность воздуха зависит от температурных факторов, времени года, сроков полива, обилия растений в интерьере, размеров и изоляции помещения. В течение года колебания влажности воздуха в интерьерах составляет от 37 % до 86 %. Зимой она снижается, в летнее время ее значение достигает наибольших величин, так как увеличивается полив интерьерных растений. Оптимальная величина относительной влажности воздуха, необходимая для фотосинтеза, находится в пределах 50-80 % и, следовательно, соответствует оптимуму (Кутас, 1984).
Сезонная динамика эпифитных бактерий филлопланы комнатных растений
В литературе имеются многочисленные сведения о том, что численность и видовой состав эпифитных микроорганизмов закономерно подвергается динамике по фазам роста и развития растения (Красильников, 1958; Возняковская, Жильцова, 1960; Головко и др., 1984; Гузев и др., 1984), так как они непосредственно находятся на поверхности растения, а значит напрямую зависят от его жизнедеятельности через выделяемые метаболиты. Состав эпифитных микроорганизмов и характер распределения их на поверхности различных органов растения отражают взаимосвязь структурной организации эпифитного микробоценоза с метаболизмом высшего растения (Полонская, 2002).
Рядом исследователей (Кочунова, 1968; Делова, 1973) показано, что регуляторами сапротрофной микробиоты на растениях могут быть вещества с антимикробными свойствами. Выделения, обладающие бактериостатическим или бактерицидным действием, являются фактором естественного иммунитета растений. Ограниченность их силы воздействия на симбиотрофов-эпифитов определяется, обычно, взаимной приспособленностью партнеров консорции (Работнов, 1983). Микробиота, населяющая филлоплану, представляет собой динамичный комплекс микроорганизмов (Делова, 1973).
Бактерии филлосферы по кинетическим параметрам роста относятся к популяциям, характеризующимся низкой инерционностью, высокими скоростями роста, но и быстрым отмиранием клеток в случае прекращения поступления питательного субстрата, слабой конкурентной способностью и относятся к типу экологических r-стратегов (Звягинцев и др., 1993). С позиции динамики взаимодействия микробного звена филлопланы и растения-продуцента, последние играют более важную роль для бактерий, обеспечивая их питательным субстратом. Микроорганизмы в данной системе выполняют, главным образом, защитную функцию для растения, не специализируясь на деструкции органических веществ, как это выражено в почвенной эконише растения (в ризосфере). Таким образом, численный состав бактерий, обитающих непосредственно на поверхностных частях растения, регулируемый метаболизмом растения, отражает физиологическую активность растительного организма.
Исследование изменений количественного состава эпифитных бактерий филлопланы проводилось нами по сезонам на трех растениях: B.Bunha, В. Credneri и P. zonale.
Динамика общей численности и процент жизнеспособных эпифитных бактерий филлопланы по сезонам представлена на рис. 3.1 (прил.1 — 3).
Как видно из графика, общая численность бактерий существенно не меняется по сезонам у всех трех опытных растений, оставаясь в среднем на одном уровне, с учетом ошибки измерения (прил. 4).
Однако характер динамики процента жизнеспособных клеток (а при среднем постоянном уровне общей численности это соответствует динамике числа живых клеток), что более существенно, у всех растений одинаков и имеет точки максимума (весна и зима) и минимума (лето и осень). У P.zonale зимний максимум числа живых бактерий достоверно отличается от летнего минимума (прил. 3). Повышение численности жизнеспособных эпифитных бактерий весной может быть связано только с закономерным, для данного периода, повышением уровня выделительной активности растения, т.е. питательного субстрата для микроорганизмов. Резкое падение процента живых клеток эпифитных бактерий летом и осенью, то есть в период активной жизнедеятельности растений, можно объяснить только выделением ими антимикробных ингибирующих веществ, регулирующих численность симбиотрофных бактерий. Постепенное повышение числа эпифитных бактерий к зиме связано со снижением биологических функций растения, в том числе и ограничением количества антимикробных веществ, и возможной адаптацией бактерий к этим веществам, в результате чего наблюдается небольшое повышение численности жизнеспособных эпифитов.
Поскольку активность жизнедеятельности растений связана с интенсивностью ростовых процессов в течение вегетационного периода, определяли динамику прироста листовой поверхности во все сезоны, начиная с зимы, как стартовой точки, на примере P.zonale. Динамика прироста показана на рис. 3.3.
Сезонная динамика численности диазотрофных бактерий ризосферы комнатных растений
Помимо бактерий - деструкторов органического вещества, поставляющих минеральное питание растениям, не менее важное значение в экосистеме комнатного растения имеют ассоциативные азотфиксирующие бактерии. Свободноживущие диазотрофы играют существенную роль в обеспечении растений доступным азотом.
Способность к фиксации азота широко распространена у разных микроорганизмов, обитающих в почве. В настоящее время показано, что к связыванию азота из атмосферы способны 80-90% всех известных бактерий благодаря наличию плазмиды (Добровольская, 2002).
В почве азотфиксирующие бактерии в основном привязаны к ризосфере растений. Энергетическим субстратом для ассоциативных азотфиксиру-ющих бактерий являются прижизненные выделения растений, главным образом, корневые, и органическое вещество почвы (Умаров, 1986).
В экосистеме комнатного растения, ограниченного площадью питательного субстрата, может обнаруживаться еще более тесная взаимосвязь растения с микроорганизмами ризосферы, в том числе и с диазотрофными.
Динамика взаимодействия комнатных растений и диазотрофных бактерий изучалась нами в течение года (с 11.2002 по 10.2003) на примере десяти видов комнатных растений. Опыты проводились ежемесячно с определением в посевах почвенных образцов бактерий рода Azotobacter и других аэробных диазотрофных бактерий. Результаты представлены на графиках (рис.4.1, 4.2, 4.3).
Динамика численности диазотрофных бактерий, аналогично динамике общей численности ризосферных бактерий (рис.3.6), имеет синусоидальный характер.
Анализ жизнедеятельности различных испытанных растений показывает, что максимумы и минимумы активности всех растений совпадают по сезонам, но степень влияния на бактерий-симбионтов отличается у разных растений. У восьми видов растений наибольшее количество клеток диазотрофов в почве отмечается в марте, июне и ноябре, наименьшее - в феврале и мае (за исключением Begonia lucerna и Pereskia aculeate - в сентябре).
Весной, с активизацией ростовых процессов и повышением метаболической активности растений, создаются благоприятные условия для интенсивного размножения азотфиксирующих бактерий (что отмечено в марте и апреле), которые накапливают восстановленный азот, обеспечивая им растение. Падение численности бактерий до нуля в мае является относительным (рис.4.1, 4.2, 4.3; прил.8), так как взятое для посева разведение почвенного образца превысило малую численность находящихся в нем бактерий порядка 10 кл/г. Такая низкая численность может приниматься за относительный нуль с точки зрения симбиотического влияния на растение, и может быть результатом их высокой чувствительности к антимикробным растительным экзометаболитам, количество которых максимально весной. Кроме того, максимум диазотрофных бактерий приходится не на весенний (как в опытах с ризосферой), и в целом численность возрастает обратно пропорционально активности растения, постепенно увеличиваясь к концу осеннего началу зимнего периода вегетации (ноябрь, декабрь). Это, возможно, связано с накоплением специфических метаболитов растительного организма, определяющих рост диазотрофов. Снижение численности азотфиксирующих бактерий зимой, возможно, связано с тем, что сокращают полив растений, в результате чего земляной ком становится более сухим, и к февралю создаются такие условия, в которых выживает незначительное число клеток.
Исходя из принятых научных данных о двойственном характере действия на симбиотрофных бактерий растительных метаболитов (активирующем и ингибирующем), а также из полученных в главе 3 результатов, показывающих, что максимальная активность комнатных растений приходится на весну, следует вывод о том, что азотфиксирующие бактерии в большей степени чувствительны к ингибирующим веществам, чем другие бактерии, поэтому их численность возрастает обратно-пропорционально активности растения. Связано это может быть с «узким звеном» процесса азотфиксации - ферментом нитрогеназой. Определенный научный интерес представляет изучение видового разнообразия диазотрофных бактерий горшечных культур. В связи с этим, кроме динамики численности бактерий, определяли видовое разнообразие ассоциативных диазотрофных бактерий. Проведенное исследование показало, что большинство обнаруженных бактерий относится к родам Azotobacter (4 морфотипа) и Beijerinkia (1 морфотип). Всего описано 5 морфотипов диазотрофных бактерий (прил. 10). Кроме них вырастали неидентифицированные нами азотфиксирующие микроорганизмы (прил.11).
Очевидно, что такое большое видовое разнообразие может быть связано с тем, что комнатные растения выращиваются на высокоплодородных, достаточно влажных композиционных сбалансированных почвенных смесях, с нейтральной или близкой к ней реакцией среды, что является оптимальными условиями для жизни бактерий, в часности рода Azotobacter. Для каждого вида растений свойственны специфические виды. Наибольшее количество морфотипов диазотрофных бактерий рода Azotobacter и Beijerinkia отмечено в ризосфере Syngonium wendlandii - все пять предполагаемых вида, наименьшее количество - в ризосфере Chlorophytum comosum и Ficus elastica, не более двух (прил. 11). Также наибольшее разнообразие у многих растений отмечается осенью (прил. И), в период максимальной численности диазотрофных бактерий, что связываем со снижением физиологической активности растения, и соответственно, уменьшением растительных выделений с ингибирующим действием.
