Введение к работе
Актуальность темы. Проблема микробного синтеза биологически активных веществ и, в частности, фитогормонов является одной из актуальных проблем современной биологии.
Значительное распространение в почвах азотфиксирующих бактерий Azos-pirillum, а также их способность колонизировать корни злаков и увеличивать урожайность растений, стимулировало развитие исследований такого явления как ассоциативность.
Исследованиями последних лет четко установлено, что способность ассоциативных бактерий Azospirillum к синтезу фитогормонов, в частности, ин-долил-3-уксусной кислоты (ИУК), является главным их свойством, лежащим в основе позитивного воздействия на рост и развитие растений (Vander-leyden etal., 1995, Zimmer et.al, 1989, Barbieri etal., 1986). ИУК влияет на процесс корнеобразования: происходит изгибание, скручивание и ветвление корневых волосков, возрастают их длина и количество (Jain etal., 1985,1984). Это, в свою очередь, ведет к увеличению активной поглощающей поверхности корней, и как следствие, к усилению роста растений. В литературе отсутствуют сведения о регуляции синтеза ИУК у бактерий под влиянием корневых выделений растения.
К актуальным аспектам практического приложения математической теории планирования эксперимента следует отнести планирование многофакторных экспериментов, разработку статистических моделей и решение на основе их анализа широкого спектра задач управления процессами, например, в системе "растение-микроорганизм". Многофакторный эксперимент, взятый за основу в настоящей работе, позволяет моделировать условия по изменению синтеза ИУК бактериями Azospirillum.
Применительно к бактериям-продуцентам фитогормонов интерес микробиологов связан с выяснением тонких механизмов управления и оптимизации процессов биосинтеза ценных препаратов фитогормональной природы.
Цель и задачи исследования.
Основной целью данной работы было изучение влияния основных корневых экзометаболитов пшеницы на ИУК-синтезирующую активность бактерий Azospirillum. В связи с этим, необходимо было решить следующие задачи:
-
Исследовать влияние аминокислот на синтез ИУК Azospirillum brasilen-se Sp 245.
-
Определить влияние азотсодержащих веществ, присутствующих в корневой зоне пшеницы, на особенности синтеза ИУК Azospirillum brasilense Sp 245.
-
Определить характер действия углеродсодержащих корневых выделений пшеницы на синтез ИУК бактериями Azospirillum brasilense Sp 245.
-
Выяснить роль лектина пшеницы в продукции ИУК бактериями Azospirillum brasilense Sp 245.
Научная новизна работы.
Полученные данные об особенностях синтеза ИУК бактериями Azospirillum имеют важное значение для разработки теоретических основ ассоциатив-
ных взаимоотношений растений с микроорганизмами.
Впервые в заданных контролируемых и воспроизводимых условиях опыта получена система уравнений, в деталях описывающая процесс биосинтеза ИУК бактериями Azospirillum, в зависимости от концентрации триптофана, углеродсодержащих и азотсодержащих соединений, лектина пшеницы, присутствующих в корневой зоне пшеницы.
Азотсодержащие соединения усиливали ингибирование синтеза ИУК Azospirillum при повышении концентрации триптофана. Показана активизация процесса биосинтеза ИУК Azospirillum углеродсодержащими соединениями. Обнаружено увеличение синтеза ИУК под влиянием лектина пшеницы.
Метод математического описания процессов позволил выявить особенности синтеза ИУК бактериями Azospirillum при одновременном влиянии двух параметров. Построенные математические модели позволяют прогнозировать биосинтетическую активность азоспирилл в отношении синтеза ИУК
Практическая значимость работы.
Постановка многофакторных экспериментов позволила исследовать совокупность действия различных факторов на ИУК-продуцирующую активность микробной клетки.
Ингибируюшее влияние азота на продукцию ИУК не позволяет использовать большие количества азотсодержащих препаратов на ранних этапах роста растения.
Полученные в настоящей работе сведения об активации метаболизма азоспирилл в направлении, благоприятном для роста и развития растений, могут быть использованы на практике для разработки экологически чистых агротехнологий, с применением в сельском хозяйстве биопрепаратов на основе этих бактерий.
Материалы диссертационной работы нашли применение на кафедре биохимии и биофизики СГУ при подготовке спецкурса «Биологически активные вещества», а также при подготовке курсовых и дипломных работ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Влияние азотсодержащих соединений на продукцию ИУК Azospirillum brasilense имеет двойственный характер (ингибирующий и активирующий) и определяется концентрацией триптофана.
-
Активизация синтеза ИУК Azospirillum brasilense под действием углеродсодержащих соединений.
-
Стимуляция продукции ИУК Azospirillum brasilense в присутствии лектина пшеницы.
Работа выполнена на кафедре биохимии и биофизики СГУ и в лаборатории биохимии ИБФРМ РАН в рамках темы: "Изучение молекулярных механизмов взаимодействия растений и микроорганизмов"(научный руководитель - доктор биологических наук профессор Игнатов В.В., N гос. регистрации 01890057691); частично данная работа получила финансовую поддержку Российского фонда фундаментальных исследований (проект N 93-04-20680).
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: VIII Восточно-Европейском симпозиуме по азотфиксации «Nit-
rogenfix -92» (Саратов,. Россия, 1992), VI Международном симпозиуме по азотфиксации небобовых (Исмаилия, Египет, 1993), 16-м Международном конгрессе по биохимии и молекулярной биологии (Нью-Дели, Индия, 1994), 1-ой Европейской конференции по фиксации азота (Сегед, Венгрия, 1994), Международном рабочем совещании по азоспириллам и родственным микроорганизмам (Шарвар, Венгрия, 1994), Международном рабочем совещании по ассоциативным взаимодействиям азотфиксирующих бактерий с растениями (Саратов,Россия, 1995), III Международном симпозиуме по биоорганической химии (Дагомыс, Россия, 1995), VIII Международном конгрессе по молекулярным взаимодействиям растение-микроорганизм (Ноксвилл, США, 1996), 2-ой Европейской конференции по азотфиксации (Познань, Польша, 1996), Международном симпозиуме по субповерхностной микробиологии (Давос, Швейцария, 1996), а также на отчетных научных конференциях ИБФРМ РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, изложения полученных результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка использованных литературных источников, приложения. Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, включает 31 таблицу и 13 рисунков. Список литерату-рых источников содержит 145 наименования.