Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методологические аспекты изучения структуры микробных сообществ почв 12
1.1. Современные представления о пространственно-функциональной структуре почвенного микробного сообщества 12
1.2.Природно-климатические условия района исследований 23
1.3. Объекты, методы и условия проведения исследований 37
Глава 2. Исследование зависимостей между кислотными свойствами и структурой микробных сообществ почв 48
2.1. Факторы почвенной кислотности 48
2.2. Механизмы адаптации микроорганизмов к кислотности и повышенному содержанию алюминия 63
2.3. Численность, биомасса и профильное распределение микроорганизмов в зависимости от кислотных свойств почвы 80
2.4. Распространение в почвах алюмотолерантных популяций микроорганизмов 106
2.5. Влияние кислотности и алюминия на состояние почвенных микробных сообществ 113
Глава 3. Микробные сообщества ризосферы сельскохозяйственных растений 122
3.1. Ризосфера как среда обитания почвенных микроорганизмов 123
3.2.Микробно-растительные взаимодействия в условиях эдафического стресса 138
3.3.Эдафические и биотические факторы бактериального заселения корней озимой ржи 145
3.4. Особенности формирования микромицетных комплексов кислой дерново-подзолистой почвы в посевах озимой ржи 152
3.5. Численность и структура биомассы микроорганизмов в ризосфере ячменя 166
3.6. Экологическая структура бактериальных комплексов прикорневой зоны контрастных по кислотоустойчивое сортов ячменя 175
3.7. Кислотность почвы и бобово-ризобиальные симбиотические системы 196
Глава 4. Видовая и сортовая специфичность комплексов актиномицетов в прикорневой зоне сельскохозяйственных растений ... 216
4.1. Изучение факторов заселения актиномицетами ризосферы ячменя.. 219
4.2. Физиологическая структура комплексов актиномицетов, ассоциированных с корнями ячменя 228
4.3. Антифунгальный потенциал актиномицетов из ризосферы ячменя... 238
4.4. Комплексы актиномицетов в прикорневой зоне клевера лугового на кислой почве 244
4.5. Комплекс актиномицетов в ризосфере озимой ржи на дерново- подзолистой почве 257
Глава 5. Микроорганизмы как фактор трансформации органического вещества осушенных торфяников 269
5.1. Экологические аспекты осушения и хозяйственного освоения торфяных почв 269
5.2. Биологическая активность торфяных почв в зависимости от сроков и способов их хозяйственного использования 280
5.3. Микробный компонент нарушенных добычей торфа биогеоценозов при самозарастании и рекультивации 295
Глава 6. Актиномицетные комплексы естественных и нарушенных биогеоценозов и агроэкосистем 317
6.1. Актиномицеты в зональных почвах средней и южной тайги 317
6.2. Численность и таксономическое разнообразие актиномицетов в торфяниках южнотаежной подзоны 325
6.3. Пространственно-функциональная структура актиномицетных комплексов в биогеоценозах на осушенных торфяниках 334
6.4. Сукцессионные изменения актиномицетов в осушенных торфяных почвах 341
6.5. Экологическая оценка состояния комплексов актиномицетов при хемогенных нагрузках 343
Выводы 357
Список литературы 360
- Современные представления о пространственно-функциональной структуре почвенного микробного сообщества
- Механизмы адаптации микроорганизмов к кислотности и повышенному содержанию алюминия
- Ризосфера как среда обитания почвенных микроорганизмов
- Физиологическая структура комплексов актиномицетов, ассоциированных с корнями ячменя
Введение к работе
Актуальность проблемы. Формирование почвенного микробного сообщества тесно связано с происхождением и свойствами почв и биогеоценозов в целом. Это дает возможность использовать микробные комплексы для характеристики биологических особенностей естественных экосистем и агроценозов. Особый интерес микробные сообщества представляют в связи с проблемой устойчивости почвенной экосистемы: её способности поддерживать плодородие, продуктивность, биогеохимический круговорот (Звягинцев и др., 1992; Добровольский, Никитин, 2000).
Хозяйственное освоение земельных ресурсов сопровождается резким изменением потока энергии, увеличением незамкнутости круговорота веществ в освоенных почвах. Преобразование среды обитания микробных сообществ влечет за собой перестройки в его структуре, ослабление адаптационных механизмов, распад исторически сложившихся комплексов. Анализ и обобщение всего имеющегося материала о состоянии земельных угодий и почвенного покрова территории России показал, что сохранение сложившейся на сегодняшний день обстановки создает угрозу национальной безопасности государства (Снакин и др., 1993; Комов, Лойко, Жиров, 1994). Важное место в решении задач биологизации сельскохозяйственного производства принадлежит почвенной микробиологии, поскольку микроорганизмы являются основным фактором почвообразовательного процесса, питания растений и фитосанитарного состояния почвы.
Анализ структуры почвенных микробных сообществ необходим для поиска принципов природопользования в условиях нарастающего экологического кризиса, прогноза последствий деградации почв в результате их хозяйственного использования (Левич, 1994; Соколов и др., 1998). Для экологического регламентирования структурно-функциональных отклонений микробиоты и принятия мер по улучшению экологической ситуации необходимо учитывать региональную специфику пространственно-временной организации почвенных микробных сообществ. По сравнению с изученностью микробиоты почв Северо-Западной части России (Аристовская, 1965 и 1980; Загуральская, 1993; Евдокимова, Мозговая, 2000), центральных и южных регионов Европейской части страны (Мишустин, 1966 а и б), Сибири и Дальнего Востока (Загуральская, 1967; Клевенская, Наплекова, Гантимурова, 1970), сведения о микробных сообществах почв Европейского Северо-Востока ограничены лишь фототрофным компонентом почвенной биоты, представленным водорослями (Штина, 1997) и цианобактериями (Панкратова, 1981; Домрачева, 1998).
Европейский Северо-Восток характеризуется своеобразием природно-климатических условий. Основную часть (более 80%) здесь занимают почвы подзолистого и дерново-подзолистого типов. Они бедны элементами питания, бесструктурны и обладают повышенной кислотностью, которая является их характерным генетическим признаком и тесно связана с типом почвообразования, составом гумуса, культурой земледелия. Резкое сокращение объемов известкования и возрастание темпов техногенного загрязнения земель сельскохозяйственного назначения способствуют тенденции дальнейшего закислення этих почв и обусловливают необходимость углубленного исследования эффектов воздействия кислотных компонентов на живые организмы.
Цель работы - изучить основные закономерности пространственного распределения и структуры сообществ гетеротрофных микроорганизмов в кислых естественных и агроестественных почвах Европейского Северо-Востока.
Задачи исследования:
1. Изучение основных структурных характеристик гетеротрофных микробных сообществ, с учетом профильного распределения, численности и биомассы отдельных популяций и сообщества в целом, в зависимости от кислотных свойств почв.
2. Выявление характера связи между кислотными свойствами и структурой бактериальных комплексов в почвенном профиле.
3. Выяснение роли эдафического и биотического факторов в формировании ризосферных микробных комплексов сельскохозяйственных растений в условиях кислых дерново-подзолистых почв.
4. Исследование процессов формирования микробных сообществ выработанных торфяников при естественном зарастании и рекультивации.
5. Сравнительная характеристика биогенности и биологической активности эутрофных торфяных почв при различных сроках и способах их хозяйственного использования.
6. Исследование численности и таксономической структуры актиномицетных комплексов естественных и нарушенных биогеоценозов и агроэкосистем.
Место проведения работы. Работа выполнена в Зональном НИИ сельского хозяйства Северо-Востока им. Н.В.Рудницкого и является частью плановых тематик лабораторий института (1994-2003 гг.). Выражаю глубокую признательность директору института, академику РАСХН В.А.Сысуеву за предоставленную возможность и оказанное содействие при проведении исследований.
Сердечно благодарю за совместную работу своего учителя, профессора кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ Г.М.Зенову, ведущего научного сотрудника этой кафедры докт.биол.наук Л.М.Полянскую, чл.-корр. РАСХН Н.А.Родину, докт. техн. наук Ф.Ф.Мухамадъярова, докторов с.-х. наук Г.А. Баталову, Л.И.Кедрову, кандидатов с.-х.наук Т.К.Шешегову, М.И.Тумасову, И.А.Устюжанина, И.Н.Щенникову и весь коллектив лаборатории генетики НИИСХ Северо-Востока.
Считаю своим долгом отметить, что эта диссертация никогда не была бы выполнена вне постоянного творческого сотрудничества со своим мужем и ближайшим сотрудником, канд. биол. наук. А.А.Широких и благодарю его за это.
Особую благодарность приношу заведующему кафедрой биологии почв МГУ профессору Д.Г.Звягинцеву и сотрудникам этой кафедры за внимание, ценные советы и поддержку.
Защищаемые положения.
1. Кислотность почвы и связанная с нею токсичность ионов алюминия являются одним из ведущих экологических факторов, определяющих профильное распределение численности и биомассы прокариотных и эукариотных микроорганизмов в зональных дерново-подзолистых и агродерново-подзолистых почвах. В зависимости от концентрации ионов ИҐ и АГ+ в одной и той же почве могут складываться микробные сообщества разной степени зрелости. Этапы бактериальной сукцессии в различных горизонтах определяются преимущественно кислотными свойствами почвы, а количественное распределение бактерий по профилю дерново-подзолистой почвы в равной мере зависит от её кислотных свойств и содержания в почве органического вещества.
В пространственно-временной организации микробного сообщества торфяной почвы кислотность и алюминий не играют столь существенной роли, как в зональных почвах, что связано с качественно иной природой кислотности в торфах.
2. Значительная часть микробного комплекса почв дерново-подзолистого типа с низкими значениями рН представлена популяциями алюмотолерантных микроорганизмов. Развитие микробной сукцессии в присутствии токсических ионов свидетельствует о существовании в микробных популяциях специфических реакций адаптации к стрессу, что подтверждает существование экологической изменчивости микроорганизмов в различных условиях существования.
3. В условиях эдафического стресса повышается значимость микробно-растительных взаимодействий. Активно селектируемые из почвы корнями растений бактерии, обладают фитостимулирующими и антифунгальными свойствами при отклонении эдафических условий от оптимума чаще, чем бактерии, активно колонизирующие корни растений в условиях эдафического оптимума. В последнем случае в комплексе увеличивается относительная доля ризобактерий с фитоингибируюшей активностью.
4. Реакция ассоциированных с корнями растений микробных комплексов на эдафический стресс, обусловленный токсическими ионами НҐ и А13+, заключается в перераспределении плотности бактерий в системе ризосфера-ризоплана. В ризосфере под воздействием стресса общее количество бактерий снижается, а в ризоплане, напротив, возрастает за счет активного хемотаксиса и увеличения адсорбции бактериальных клеток корнями растений. Выраженность реакции прокариот на стресс варьирует в зависимости от генетически детерминированных различий в корневой экскреции растения-хозяина.
Несмотря на специфичность ризосферы и ризопланы, как местообитаний микроорганизмов, в том и другом микробном комплексе при стрессе возрастает численность алюмотолерантной популяции бактерий, экологическая роль которой связана с ограничением подвижности ионов алюминия при изменении рН, обусловленном метаболизмом адсорбированных и иммобилизованных на поверхности корня бактериальных клеток, что повышает адаптивность растения-хозяина к стрессу.
5. Комплексы ризосферных микроорганизмов различных видов и сортов сельскохозяйственных растений специфичны по своей экологической и таксономической структуре. Метаболическая совместимость между растением и бактериями обусловлена особенностями состава корневых выделений, который контролируется генетически. Существует определенная связь между видовой и сортовой специфичностью микробного комплекса ризопланы и способностью растений кондиционировать экохимическую среду в зоне корней.
Научная новизна. Для кислых зональных почв Европейского Северо-Востока впервые доказана сопряженность параметров почвенной кислотности и содержания основных компонентов микробной биомассы, изменяющихся в пределах почвенного профиля по генетическим горизонтам. Установлено, что зональные почвы обладают значительным пулом кислотоустойчивых (105-10б КОЕУг) и алюмотолерантных (10 -105 КОЕ/г) микроорганизмов, адаптированных к условиям местообитания. От почвенной кислотности и содержания в почве обменного алюминия существенно зависят сукцессионные изменения в бактериальном комплексе, т.е. в одной и той же почве могут складываться микробные сообщества разной степени зрелости.
Реакция на кислотный стресс бактериального комплекса прикорневой зоны растений заключается в снижении численности в ризосферной почве при одновременном увеличении плотности бактерий на поверхности корней. Возрастание количества адсорбированных корнями бактериальных клеток в алюмокислой среде впервые рассматривается как проявление совместной адаптации бактерий и растения к эдафическому стрессу.
Бактерии, активно колонизирующие корни при отклонении эдафических факторов от оптимальных значений, чаще обладают потенциалом положительных эффектов воздействия на растения, чем бактерии, колонизирующие корни в условиях, отвечающих физиологическому оптимуму роста растений.
В стрессовых условиях более чем в оптимальных условиях почвенной кислотности, выражена видовая и сортовая специфичность ассоциированных с корнями комплексов микроорганизмов. Ответная реакция на стресс, проявляющаяся в изменении экологической структуры бактериального комплекса ризопланы, связана с особенностями корневой экскреции и может характеризовать адаптивный потенциал растений к токсичности алюминия в кислых почвах.
Впервые показана специфичность ризосферных комплексов акгиномицетов. Комплексы различных видов и сортов растений различаются как по структуре доминирования, так и по частоте встречаемости в них представителей, способных утилизировать отдельные компоненты корневых выделений, и актиномицетов, оказывающих угнетающее и стимулирующее действие на другие почвенные микроорганизмы. Выявлена антифунгальная активность широкого круга актиномицетных изолятов из ризосферы растений на кислой почве.
Практическая значимость работы. Обнаруженные закономерности в пространственно-временной организации микробных сообществ кислых почв Европейского Северо-Востока позволяют оценить современное состояние микробных сообществ, прогнозировать развитие почв при антропогенном воздействии и в естественном состоянии, являются эколого-почвенной основой для разработки принципов организации землепользования в регионе.
Данные по биомассе почвенных микроорганизмов могут быть использованы для оценки их роли в круговороте органических веществ и энергии в региональных агроэкосистемах, для расчетов содержания питательных элементов, иммобилизованных в их биомассе.
Информация, полученная при мониторинге микробного комплекса осушенных и выработанных торфяников, использована для оптимизации хозяйственного освоения торфяных почв и разработки способов рекультивации нарушенных торфодобычей земель.
Исследования актиномицетного состава почвы и сопряженных с нею субстратов являются основанием к направленному поиску и выделению биотехнологически ценных культур мицелиальных пркариот. Экологические характеристики структуры актиномицетных комплексов могут использоваться для индикации нарушений в решении проблем охраны окружающей среды. Различную способность растений концентрировать на корнях актиномицеты с антифунгальными свойствами предложено использовать в селекции новых сортов на устойчивость к почвенным инфекциям.
Выявленные закономерности взаимодействия "генотип-среда" на уровне реакции микроорганизмов в прикорневой зоне сельскохозяйственных растений представляют интерес для селекции в качестве биологического теста, характеризующего адаптивный потенциал растений к эдафическому и биотическому стрессам.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и представлены на 111 и IV Всесоюзных конференциях "Микроорганизмы в сельском хозяйстве" (Москва, 1986; Пущино, 1992), 111 Всесоюзном симпозиуме "Биодинамика почв" (Таллин, 1988), 4-й конференции молодых ученых (Пущино, 1989), Всесоюзной конференции "Торф в народном хозяйстве" (Томск, 1991), 9-м и 10-м Международных конгрессах по торфу (Уппсала, 1992; Бремен, 1996), на совместном заседании кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ и 111 комиссии (Биология почв) Российского общества почвоведов (1993), совещании "Ландшафтный подход в мелиорации и вопросы землеустройства" (Тверь, 1993), Международной конференции "Генезис, эволюция и роль болот в биосферных процессах" (Минск, 1994), Всероссийской конференции "Сельскохозяйственная микробиология в 19-21 веках" (С.-Петербург, 2001), сессиях Вятского регионального отделения РАЕН (Киров, 2001, 2004), 3-м Международном специализированном семинаре "Биология, медицина, экология" (Киров, 2002), Международной конференции "Озимая рожь: селекция, семеноводство, технологии и переработка" (Киров, 2003), на годичных отчетных сессиях НИИСХ С-В РАСХН 1994-1996, 1999-2003 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 73 работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и выводов. Она включает 359 страниц машинописного текста, 68 рисунков, 51 таблицу. Список литературы включает 713 работ, из которых 317 на иностранных языках.
Автору принадлежат: составление программ исследований, сбор значительной части полевого материала и выполнение основной части экспериментальных работ, обобщение полученной информации и выводы работы. В работе использованы материалы, полученные лично автором, а также материалы работ, выполненных под его руководством или при непосредственном участии.
Современные представления о пространственно-функциональной структуре почвенного микробного сообщества
Понятие "микробное сообщество" включает совокупность популяций микроорганизмов, населяющих определенный биотоп в конкретный момент времени. Микробное сообщество обладает особыми свойствами, не присущими отдельным слагающим его компонентам и является организационной, структурной и функциональной единицей экосистемы (Бабьева, Зенова, 1983). На этом основывается концепция "сообщества", как определенного уровня организации жизни.
Подразумевается, что между отдельными сообществами имеются вполне естественные границы, и сообщество следует рассматривать, прежде всего, как некое организованное целое. В этом смысле термин "микробное сообщество" означает искусственное выделение группы популяций только по признаку размеров. В ходе многочисленных дискуссий о том, насколько естественны границы такой группировки, основное возражение против строгой трактовки сообщества состоит в том, что "естественное" сообщество остаётся чисто умозрительным понятием. Вместе с тем, как любая группировка, вне зависимости от её функционального единства и естественности границ, микробное сообщество имеет структуру, то есть набор отдельных элементов, их относительное обилие, пространственное и временное расположение, а значит даже при таком формальном подходе представляет собой предмет для изучения, лежащий вне дискуссии о том, как определить сообщество (Добровольская, 2002).
Факторами, регулирующими состав и стабильность микробного сообщества, являются взаимодействия и взаимоотношения между его компонентами, с одной стороны, и между сообществом и абиотической средой - с другой. Наряду с физическим и химическим выветриванием микробные сообщества в процессе биологического выветривания выступают в роли активных факторов преобразования верхнего слоя земной коры и постепенного превращения его в почву. Вопросы участия микроорганизмов в процессах первичного почвообразования впервые были подняты в работах В.В.Докучаева, В.И.Вернадского, Б.Б.Полынова. В дальнейшем эти исследования были продолжены работами почвоведов и микробиологов (Красильников, 1958; Мишустин, 1975; 1984; Звягинцев, 1987; Глазовская, Добровольская, 1984; Аристовская, 1980; Голлербах, Штина, 1969; Добровольский, Никитин, 1990; 2000). Значимость изучения микробных сообществ и их жизнедеятельности в самой почве отмечена в работе основоположника отечественной микробиологии С.Н. Виноградского (1952). Традиционный интерес к этой проблеме особенно возрос в результате развития Г.А. Заварзиным, в рамках концепции эволюции биосферы, идеи С.Н. Виноградского о полифункциональном устойчивом микробном сообществе как элементарной эволюционной единице. Очевидно, что носителями жизни, способными обеспечивать устойчивость её существования, с самого начала были не отдельные виды, а примитивные биоценозы, компоненты которых последовательно осуществляли все необходимые звенья первичного круговорота веществ (Заварзин, 1989, 1990). Сообщество микроорганизмов, по мнению Г.А. Заварзина (1984), было ключевым фактором в формировании условий на поверхности Земли, причем воздействие бактериального сообщества осуществлялось через газообразные соединения, благодаря которым реализуется связь бактериального сообщества с атмосферным океаном, осадочными породами - со всей биогеохимической системой на Земле. Для объяснения функционирования и эволюции микробных сообществ и биосферы в целом, Г.А.Заварзиным недавно был предложен, в качестве основополагающего, принцип аддитивности, предполагающий кооперацию между организмами, а не конкуренцию, как считали ранее, движущей силой процесса эволюции микробных сообществ. "Кооперация лежит в основе трофической пирамиды сообществ, а конкуренция служит механизмом тонкой регулировки в системе" (Заварзин, 1995). Существуют определенные географические закономерности глобальных микробных процессов. Определенные микробные экосистемы приурочены к географическим зонам. Если видовой состав бактерий более или менее одинаков по всему земному шару и понятие географического распространения имеет для них лишь ограниченный смысл в отличие от высших организмов, то микробные системы тесно связаны с географической средой обитания (Заварзин, 1994). Биогеографический подход к исследованию микрофлоры in situ включает в себя обобщенные характеристики микробных сообществ в ландшафтах, которые создаются на основе биогеохимии микробов, геохимии ландшафта и физических аспектов, характеризующих данную ландшафтную единицу. В микробиологии популярен постулат: "Все есть всюду, но среда отбирает", который подразумевает, что микроорганизмы практически не имеют барьеров в своем распространении, и развитие тех или иных видов определяется в основном экологическими условиями. В середине прошлого века, благодаря работам академика Е.Н. Мишустина (1966), в отечественной почвенной микробиологии сформировалось эколого-географическое направление, в рамках которого распределение микроорганизмов в почвах разных типов рассматривалось, прежде всего, с позиций закона широтной зональности (Докучаев, 1951). Был выявлен ряд интересных особенностей в структуре бактериальных сообществ: увеличение доли бацилл и актиномииетов и бактериального вклада в процесс деструкции целлюлозы в южных почвах по сравнению с северными. Удалось установить четкие различия в доминирующих видах бацилл в северных и южных почвах. Благодаря удачному выбору объектов исследования - спорообразующих бактерий рода Bacillus - стало возможным не только осуществить видовую дифференциацию, но и доказать применимость закона о географической зональности В.В.Докучаева к микроорганизмам (Мишустин, 1947). Идеи Е.Н. Мишустина вызвали широкую дискуссию по ряду методических вопросов почвенной микробиологии и возможных подходов к оценке влияния географических факторов на структуру микробных сообществ. В качестве оппонентов выступили такие авторитетные микробиологи, как А.А. Имшенецкий и Н.А. Красильников. Много возражений вызвали работы Е.Н. Мишустина и у западных ученых. В дальнейшем развитие этого направления происходило в основном на кафедре биологии почв факультета почвоведения Московского университета им. М.В.Ломоносова (МГУ) под руководством профессора Д.Г.Звягинцева. По мнению представителей этой школы, для решения вопроса о том, что в большей степени определяет таксономическую структуру микробного сообщества: географическое положение или конкретные локальные экологические условия, необходимы многолетние исследования структуры микробных сообществ в различных географических районах, которые должны проводиться сходными методами, обеспечивая сравнимость результатов и накопление огромного статистического материала.
Механизмы адаптации микроорганизмов к кислотности и повышенному содержанию алюминия
В отношении микроорганизмов, кислотность почв относится к числу селективных факторов, которые либо ограничивают, либо способствуют распространению представителей определенных таксономических групп. Например, известно, что бактерии рода Arthrobacter чувствительны к рН среды и не обнаруживаются в подзолистых почвах и кислых торфяниках. В то же время спириллы и многие представители факультативно-анаэробных бактерий успешно развиваются и часто доминируют в кислых дерново-подзолистых почвах (Добровольская, Лысак, Звягинцев, 1996).
Высокой кислотоустойчивостью (развиваются при рН 3) обладают бактерии рода Beijerinckia, впервые выделенные из кислых почв рисовых полей Индии. Они хорошо переносят повышенные концентрации железа, алюминия. В кислых почвах южной и тропической зоны (красноземах латеритах) бактерии этого рода играют основную роль в почвенном азотном балансе, фиксируя от 16-20 мг азота на 1 г ассимилированного углерода (Глазовская, Добровольская, 1984).
Многие грибы, водоросли и бактерии проявляют толерантность к концентрациям водородных ионов в широком диапазоне рН (Ленгуорси, 1981) однако оптимум роста большинства микроорганизмов, как правило, находится в области средней кислотности (рН 5,5-6,0).
В качестве общей тенденции изменения микробного населения почв под воздействием кислотного стресса отмечают снижение численности бактерий и актиномицетов. Грибы - наиболее толерантные к повышенной кислотности организмы, менее чувствительны к снижению рН, и в ряде случаев их численность даже несколько увеличивается (Аристовская, 1965; Ленгуорси, 1981). Среди почвенных грибов как наиболее устойчивые к подкислению почвы были выделены Penicillium spinulosum и Oidiodendron ecinulatum (Марфенина, 2001). Большое адаптивное значение имеет способность грибов продуцировать органические кислоты, которые, при слабой обеспеченности подзолистых почв доступными элементами зольного питания, участвуют в разрушении минералов почвообразующей породы и способствуют переходу содержащихся в них химических элементов в раствор. В связи с этим, Т.В.Аристовская (1965) рассматривает кислую реакцию подзолистых почв не как причину пышного развития грибов, а наоборот, как следствие их жизнедеятельности. Возможность адаптации к кислой среде актиномицетов была продемонстрирована при определении способности культур, выделенных из щелочных и кислых почв, расти на подкисленных средах. Было отмечено, что актиномицеты, выделенные из кислых почв, растут при более кислых значениях рН среды, чем культуры, выделенные из щелочных почв (Corke, Chase, 1964). Первоначальная гипотеза о существовании специализированной группы ацидофильных актиномицетов, предпочитающих расти в кислой среде, получила подтверждение в работах Виллиамса с соавторами (Williams et al, 1971; Khan, Williams, 1975). В последнее время появились новые сообщения об обнаружении ацидофильных и ацидотолерантных актиномицетов в кислых почвах (Nioh et al., 1995). Установлено, что ацидотолерантные актиномицеты являются неотъемлемой частью актиномицетного комплекса многих почв: низинной торфяной, бурой лесной, серой лесной, чернозема обыкновенного (Зенова, Закалюкина, Звягинцев, 2000; Закалюкина, Зенова, Звягинцев, 2002). Среди ацидотолерантных актиномицетов наиболее распространены микромоноспоры и стрептомицеты. Отмечена способность ацидофильных актиномицетов быстрее расти на подкисленных средах и повышать значение рН до уровня, благоприятного для образования воздушного мицелия и спор (Закалюкина, 2003). В литературе имеются лишь отрывочные сведения о влиянии почвенной кислотности на обилие микроорганизмов в природных местообитаниях. При изучении микробных комплексов в ненарушенных биотопах Западно-Двинского стационара отмечено влияние кислотности на распределение актиномицетного мицелия по профилю низинного и верхового торфяников (Добровольская и др., 1991). Сравнение микробных сообществ в разных типах биогеоценозов Окского заповедника выявило максимальную численность бактериальных комплексов в пойменных ландшафтах с более благоприятной реакцией среды (Полянская и др, 1995). Изучены количественные аспекты воздействия кислотности на функционирование микроорганизмов в кислых торфах и болотах (Goodwin, Zeikus,1987; Dunfield, Knowles, Moore, 1993). Показано, что метанотрофы верховых болот Methylocella palustris и Methylocapsa acidiphila являются умеренными ацидофилами, т.е. слабо кислая среда (рН 4,5-5,5) соответствует норме их физиологической реакции (Дедыш, Паников, 1997; Дедыш, 2002). Определение влияния кислотности на численность микроорганизмов в почвах чайных плантаций, а также устойчивости микробных изолятов к кислым условиям в присутствии алюминия проводили японские ученые (Yokoyama et al., 1993). Они установили, что грибы удивительно устойчивы к ионам алюминия, гидроксидам алюминия и к алюмосульфатным комплексам. Некоторые изоляты бактерий были также устойчивы к этим соединениям. Бактерии после обработки алюминием могут оставаться живыми, но чаще всего не способны к размножению. Алюминий удлиняет время генерации клеток и препятствует завершению их деления. О механизмах воздействия кислотности и алюминия на микроорганизмы известно следующее. Величина рН в клетке изменяет состояние связанности белков в водно-органических растворах, влияет на стерическую конфигурацию активного центра и, соответственно, гибкость данной конфигурации и определяет величину сродства фермента к субстратам. В основе всех этих процессов лежит особенность взаимодействия белков с водой, активность которой, в свою очередь, определяется наличием различных метаболитов и ионов (Курганов, 1985). Способность бактерий развиваться в кислых условиях среды, связана с особенностями состава и функционирования клеточных мембран (Ohta, Kiyomiya, 1975). Среди ацидофильных организмов могут обнаруживаться формы с такими изменениями в свойствах мембран, как избирательная проницаемость, что имеет важное значение для способности клетки реагировать на изменения в составе среды и для осуществления транспорта веществ в клетку и из клетки. Об изменении липидного состава мембран, индуцированного низкими значениями рН, сообщалось для кислоточувствительного штамма Rhizobium etli (Ballen et al., 1998). Состав мембраны у Escherichia, coli может варьировать в зависимости от рН (Arneborg et al., 1993), что оказывает влияние на проницаемость мембраны для протонов водорода. Минимальная проницаемость мембраны для Нешироко распространённая стратегия адаптации у археобактерий (Dilworth et al., 2001).
Ризосфера как среда обитания почвенных микроорганизмов
Ризосферой называют зону почвы, распространяющуюся от поверхности почва-корень до той точки, где микрофлора не подвержена влиянию корней (Rovira et al., 1983). После открытия Гильтнером в 1904 году ризосферы как своеобразной экологической ниши массового сосредоточения почвенных микроорганизмов исследования, направленные на выяснение экологических и генетических механизмов развития микробно-растительных взаимоотношений, развиваются всевозрастающими темпами. Во второй половине XX века развитие исследований в этой области шло в направлении углубления первичных знаний о механизмах выделения веществ корневыми системами растений, детальной оценки факторов, влияющих на эти процессы (Мергель, Тимченко, 1998).
Интенсивное размножение микроорганизмов ризосферы, состоящей в основном из бактерий (Glandorf, 1994), вызвано непрерывным поступлением органических соединений из корневых систем растений в течение периода вегетации в виде легкодоступных органических соединений (Foster, Martin, 1985).
Ассимилированный растениями в процессе фотосинтеза углерод перемещается из надземной части растения в корни, где включается в биомассу корней или в состав корневых выделений, которые растения выделяют в ризосферу. Выделенные растением органические вещества частично разлагаются микроорганизмами до углекислого газа, частично используются для построения их биомассы или для образования гумусовых веществ почвы.
Активность и количество микроорганизмов в ризосфере существенно выше, чем в свободной от корней почве (Curl, Truelove, 1986; Zagal, 1994; Paul, Clark, 1996) и зависит в основном от количества и качества корневых экссудатов (Merckx et al., 1987; Martens, 1990; El-Shatnawi, Makhadmeh; 2001). Взаимосвязь в системе растение-микроорганизмы-почва осуществляется через выделение широкого спектра соединений: от простых органических молекул до клеток, а также тканей, которые слущиваются с корневого чехлика в течение вегетации растений (Красильников, 1958; Rovira, Foster, Martin, 1979). Выделяют следующие основные группы таких соединений: водорастворимые экссудаты (углеводы, аминокислоты, органические кислоты, гормоны, витамины) (Campbell, 1985), секреты (например, энзимы и углеводсодержащие полимеры), лизаты клеток, газы. Большая роль в регуляции почвенных процессов и взаимодействии растение микроорганизм принадлежит летучим веществам: терпены, низкомолекулярные спирты, муравьиная кислота, этилен, пропилен, ацетон, в силу того, что они действуют в малых концентрациях и могут распространяться на большие расстояния (Stotzky, Schenk, 1976).
Состав эксудатов определяет численность, состав микробного сообщества и играет значительную селективную роль в формировании сообщества микроорганизмов. Так, в ризосфере злаковых растений преобладают грибы родов Fusarium и Alternaria, а в ризосфере бобовых, лютиковых и крестоцветных - РепісіНіит (Мирчинк, 1988). По мнению некоторых авторов, бактерии сильнее связаны с выделениями корневых систем растений, в то время как грибы - с отжившими корневыми клетками (Rovira, 1969).
Система растение-микроорганизмы функционирует по принципу как прямой, так и обратной связи. С одной стороны, корневая система либо стимулирует, либо ингибирует метаболическую активность микробного сообщества, выделяя соответственно либо углеродсодержащие соединения, либо фитонциды. С другой стороны, микроорганизмы синтезируют и выделяют биологически активные вещества: витамины, ауксины и другие, активируя тем самым рост и развитие растений и усиливая поглотительную и секреторную деятельность корней, что способствует увеличению выхода питательных веществ из корней в почву.
Вопрос о количестве корневых выделений окончательно не решён из-за методических проблем. Этот показатель, в конечном счете, определяет обилие микроорганизмов в ризосфере (Merckx et al., 1987; Merbach, 1992; Deubel, 1996; Deubel, Gransee, Merbach, 2000). Опыты с выращиванием растений в атмосфере с 14СОг показали, что в корневые выделения может попадать до 20% продуцируемого растением сухого вещества (Barber, Martin, 1976;Sequi, 1987).
По другим данным, около 48% углерода 14С02, ассимилированного растениями райграса, локализуется под поверхностью почвы, главным образом, в корнях, причем за 12 суток наблюдений половина этого углерода корнями была утрачена благодаря дыханию и корневым выделениям (Domanski et al, 2001). В микробной биомассе ризосферы уже через 6 часов эксперимента было локализовано 4,9% ассимилированного углерода.
Для большинства культурных растений типично, что интенсивность включения С в корни снижается по мере роста растений, а включение в листовую массу - растет (Gregory, Atwell,1991; Swinnen, Van Veen, Merckx, 1995). Это объясняется тем, что у зерновых культур при переходе от фазы кущения к фазе выхода в трубку наблюдается интенсивный прирост надземной части, тогда как прирост корней замедляется и для построения массы корней используется меньше углерода. Большинство новых ассимилятов поступает в растущие органы (Liljeroth, Van Veen, Miller, 1990; Sattelmaher, Thorns, 1995).
Анализируя данные различных исследователей, А.А.Мергель и А.В.Тимченко (1998) констатируют, что от 3 до 39% углерода, ассимилированного в результате фотосинтеза, выделяется корневой системой растений, в том числе от 1 до 29% - в результате респирации, от 1 до 30% - в виде ризодепозита и только 0,37-0,50% находится в клетках микроорганизмов. Респирация включает в себя и тот углерод, который выделяется микроорганизмами после переработки органического материала корневых выделений. Содержание питательных веществ в почве определяет размеры потребления микроорганизмами ризодепозитов. Так, на низком питательном фоне в микробную биомассу включается 28-41% ризодепозитов, а на высоком - 20-30% (Merckx et al., 1985).
Физиологическая структура комплексов актиномицетов, ассоциированных с корнями ячменя
Таким образом, результаты исследований показали, что кислотность почвы, обусловленная присутствием ионов водорода и алюминия, оказывает достоверное влияние на численность и структуру актиномицетного комплекса ризосферы ячменя. Показатели численности актиномицетов снижаются в кислой почве по сравнению с известкованной, при этом доля и частота доминирования стрептомицетов возрастают, а эти же показатели для микромоно-спор снижаются. Частота встречаемости других родов была небольшой и снижалась при наличии в почве подвижного алюминия. Как видно из полученных результатов, стрептомицеты оказались более устойчивыми к токсическому действию ионов водорода и алюминия в ризосферной почве по сравнению с микромоноспорами. Выявлена сильная (г=0,98) положительная коррекция между долей микромоноспор в ризосферном актиномицетном комплексе и значениями рН ризосферной почвы.
У сортов ячменя, имеющих различную устойчивость к токсичности алюминия на кислой почве, выявлены некоторые различия в структуре ризо-сферных актиномицетных комплексов. В прикорневой зоне устойчивого к токсичности алюминия сорта 889-93 отмечена существенно более высокая численность актиномицетов по сравнению с сортами, чувствительными к алюминию. В ризосферном актиномицетном комплексе этого сорта ячменя отмечена более низкая доля стрепомицетов и более высокая доля микромоноспор (в фазу кущения) и редких родов актиномицетов по сравнению с комплексами актиномицетов ризосферной почвы других сортов ячменя. В ризосфере чувствительного к токсичности алюминия сорта Кумир, напротив, доля стрептомицетов выше, а микромоноспор ниже по сравнению с их содержанием в ризосфере устойчивых к алюминию сортов ячменя. В ризосфере чувствительных к кислотности растений кумир и Дина стрептомицеты стрептомицеты имели более высокий показатель частоты доминирования по сравнению с ризосферой устойчивых сортов ячменя (889-93 и 999-93).
Специфическое влияние сорта ячменя на структуру ризосферных актиномицетных комплексов можно объяснить как различной способностью растений нейтрализовать кислую реакцию среды в зоне корней (Широких Шуп-лецова, Худякова, 2001), так и особенностями химического состава корневого депозита растений ячменя разных сортов, в частности, особенностями спектра пентозанов, которые могут определять преимущественное развитие актиномицетов определенных родов (The Prokaryotes, 1991). 4.2. Физиологическая структура комплексов актиномицетов, ассоциированных с корнями ячменя
Структура и функциональные особенности природных комплексов актиномицетов, ассоциированных с корнями растений различных видов и сортов сельскохозяйственных растений, до настоящего времени практически не изучались. Исследование этих вопросов необходимо для более глубокого понимания закономерностей функционирования природных микробных сообществ и разработки путей управления процессами межорганизменных взаимодействий в ризосфере сельскохозяйственных растений.
Уровень ассоциативности с растением немицелиальных ризобакте-рий, в значительной мере, определяется их подвижностью (Кацы, 1996) и способностью утилизировать основные компоненты корневых выделений (Sealy, Gochnauer, McCully, 1989; Bolton, Frederickson, Elliot, 1992; Grayston et al., 1998). Играет ли состав корневых выделений селективную роль в отношении лишенных активной подвижности актиномицетов, или заселенность ими корней определяется только особенностями распределения этих микроорганизмов в почве и случайными причинами, неизвестно. Для оценки относительных вкладов генотипа растения (сорт) и среды (кислотности почвы) в варьирование плотности актиномицетов в ризосфере и на корнях ячменя был проведен двухфакторный дисперсионный анализ. Общее варьирование численности, условно принимаемое за 100%, было разложено на 4 составляющие, которые соответствуют действиям генотипа, среды, их специфическому взаимодействию, а также влиянию неконтролируемых факторов (случайное варьирование или ошибка опыта) (табл. 25).
Генотшшческий фактор, определяя варьирование численности актиномицетов на корнях в равной мере с фактором среды, контролировал около трети общего варьирования численности актиномицетов. При переходе от ризосферы к ризоплане вклад генотипа в определение плотности заселения корней актиномицетами возрастал, а вклад специфического взаимодействия среда х генотип, напротив, снижался, что может быть связано с относительным постоянством реакции среды непосредственно на поверхности корня (Kim, Silk, Cheer, 1999)
Выделяемый с помощью селективных приемов на среде с пропиона-том натрия комплекс актиномицетов ризопланы ячменя был представлен только видами рода Streptomyces, в то время как использование тех же селективных приемов позволило, как было показано выше, обнаружить в ризосфере ячменя представителей других актиномицетных родов. На корнях всех исследованных сортов доминировали стрептомицеты серии Cinereus Chro-mogenes. В комплексах ризопланы ячменей Новичок, Кумир и 889-93 в качестве типичных частых отмечены виды серий Cinereus Achromogenes и Cinereus Aureus, в комплексе ризопланы сорта 999-93 - Cinereus Aureus. Представители серии Roseus Fradiae встречались с небольшой частотой (17%) только в комплексе актиномицетов сорта Кумир.
Разнообразие видов, ассоциированных с корнями ячменя сортов Новичок (Н=1,46), 889-93 (Н=1,37) и Кумир (Н=1,27) изменялось незначительно. Существенно более низким разнообразием отличался от них комплекс актиномицетов на корнях ячменя 999-93 (Н=0,72). Значения индексов разнообразия стрептомицетов снижались в исследуемом ряду сортов в порядке, совпадающем с порядком снижения их численности. Учитывая, что условия роста растений всех сортов в вегетационном опыте были максимально выровненными, причиной выявленных различий могут являться особенности биохимического состава корневых экссудатов, обусловленные генотипом растений (Широких, Широких, Родина, 2003).
Установлены различия в физиологической структуре комплексов ак-тиномицетов генотипически различных растений. С экологических позиций важным является существование определенных связей между таксономической и физиологической структурой связанных с корнями комплексов акти-номицетов. Сопоставление индексов разнообразия актиномицетов на корнях различных сортов ячменя и аналогичное сравнение спектров утилизации их представителями органических кислот и Сахаров, входящих в состав корневых выделений, показало, что между разнообразием видов в комплексе и величиной спектра эффективно используемых ими источников углерода существует обратная зависимость. Так, в ризоплане сорта 999-93 при невысоком разнообразии и низкой численности, формируется комплекс актиномицетов, в котором с высокой частотой (80-100%) встречаются виды, способные эффективно использовать широкий спектр источников углерода (рис. 40).
