Введение к работе
Актуальность темы. Ассоциашш или, другими словами, ассоциативные симбиозы - колонизация бактериями корней и других органов высших растений без образования выраженных морфологических структур, но с позитивным воздействием бактерий на рост и развитие растений, - широко распространенное явление (Умаров, 1986; Окоп (е&), 1994). Большое число почвенных микроорганизмов способно образовывать ассоциашш с высшими растениями, однако наиболее интенсивно исследуемыми являются бактерии рода^05р/л7/шгс(ОоЬегеіпег, Pedroza, 1987).
Взаимодействие азоспирилл с растениями хорошо описано на уровне физиологических эффектов. Это: (а) усиление корнеобразования с соответствующим увеличением поглотительной способности корней как результат продукции фитогормона индолил-3-уксусной кислоты (ИУК) бактериями (Zimmer et al., 1980); (б) азотфиксашія микропартнера и передача ее продукта, аммония, макропартнеру (Умаров, 1986); (в) повышение нитратредуктазной активности корней после колонизации растения. Предполагают также, что такие свойства азоспирилл как способность ингибировать рост патогенных грибов (Редькина, 1989), синтезировать сидерофоры (Bachhawat et al., 1987) и бактериошгны (Del Gallo et al., 1994) также вносят свой вклад в усиление роста и развития растения. Однако, остается неясным, какие молекулярные сигналы лежат в основе установления и эффективного функционирования растительно-бактериальных ассоциаций, как макропаргнер влияет на метаболизм микропартнера, и наоборот.
В этой связи большой интерес вызывают лектины, так как известно, что они выполняют информационные функции в различных биологических системах ( De Pater et al., 1995, Lyubimova et al., 1990).
В частности, в ассоциации пшеница-азоспирилла интересен в этом отношении агглютинин зародышей пшеницы (лектин пшеницы, агглютинин зародышей пшеницы, АЗП, wheat germ agglutinin, WGA ). В литературе имеются сведения о том, что лектин пшеницы присутствует не только в зародыше, но и в корнях и доступен для контакта с бактериями (Mishkind et
al., 1980). Крометого, показан факт связывания лектинапшеницы с клетками азоспириллы (Yagoda-Shagam et al., 1988, Del Gallo et al., 1990, Del Gallo et al., 1989). К началу наших исследований было также известно, что лектин пшеницы стимулирует азотфиксирующую активность у Azospirillum brasilense (Никитина с соавт., 1987).
Совокупность имеющихся в литературе сведений определила выбор целей и задач настоящей работы.
Цель работы. Основной целью данной работы явилось получение экспериментальных данных о влиянии лектина пшеницы как одного из метаболитов макропартнера ассоциации пшеница-азоспирилла на метаболизм Azospirillum brasilense Sp 245, природного ассошіанта пшеницы. В работе решались следующие задачи:
1. Охарактеризовать влияние лектина пшеницы на азотный
метаболизм азоспириллы;
-
Выяснить, вызывает ли лектин пшеницы активацию нитрогеназы или индуцирует биосинтез фермента;
-
Оценить влияние лектина пшеницы на биосинтетические процессы азоспириллы и параметры роста культуры.
Научная новизна работы.
-
Впервые показано, что в ассоциации пшеница-азоспирилла один из метаболитов макропартнера, лектин пшеницы, рецептируясь на поверхности азоспириллы оказывает существенное влияние на ее азотный метаболизм.
-
Впервые описана способность растительного лектина вызывать усиление биосинтетических процессов у ассоциативной бактерии, азоспириллы. Показана способность лектина пшеницы вызывать индукцию биосинтеза нитрогеназы и глутаминсинтетазы у Azospirillum brasilense.
-
На основе полученных экспериментальных данных предложена гипотеза о сигнальной роли лектина пшеницы в ассоциации пшеница-азоспирилла.
Практическая значимость работы. В настоящее время на основе азоспирилл и других ассоциативных бактерий созданы и применяются биоудобрения. Отсутствие четких и глубоких представлений о молекулярных основах взаимодействия партнеров в ассоциативных симбиозах обуславливает
как недостаточно высокую эффективность, так и недостаточную широту использования бактериальных удобрений в земледелии. Использование больших доз азотных удобрений в интенсивных технологиях, таким образом, является реальностью и влечет за собой целый комплекс экологических проблем: загрязнение пиши, воды и кормов нитратами, сдвиг экологических цепей в водоемах (как следствие цветение воды и ее техническая непригодность), загрязнение атмосферы закисью азота.
Учитывая огромную опасность нитратного загрязнения для здоровья людей, низкий процент усвоения и дороговизну азотных удобрений - крайне важна в настоящее время разработка экологически чистых агротехнологий для растениеводства.
Получение в настоящей работе сведения об активации метаболизма азоспириллы в направлении, благоприятном для роста и развития растений, могут быть использованы на практике для разработки экологически чистых агротехнологий, в том числе для создания сортов растенийс высокой способностью к обеспечению себя биологическим азотом, а также для повышения эффективности применения в сельском хозяйстве биопрепаратов на основе этих бактерий.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Влияние лекгана пшеницы на азотный метаболизм Azospirillum brasiknse
-
Активация биосинтетических процессов у Azospirillum brasiknse под влиянием лектина пшеницы.
Работа выполнена на кафедре биохимии и биофизики СГУ и в лаборатории биохимии ИБФРМ РАН в рамках темы: "Изучение молекулярно-генетических механизмов узнавания, контакта к обмена метаболитами азоспирилли культурных злаков" (научный руководитель профессор Игнатов В.В., Nroc. регистрации 01860024516); частично данная работа получила финансовую поддержку от Российского фонда фундаментальных исследований (проект N 95-04-11473).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV Всесоюзной конференции "Микроорганизмы в сельском хозяйстве" (Пушино, Россия, 1992), VIII Восточно-Европейском симпозиуме по азотфиксации "Nitrogenfix - 92" (Саратов, Россия, 1992), Российско - немецком рабочем совещании по
молекулярной биологии и биотехнологии растений (Москва, Россия, 1992), VI Международном симпозиуме по азотфиксации небобовых (Исмаилия, Египет, 1993), Всесоюзной конференции "Клинические и экспериментальные аспекты клеточной сигнализации" (Москва, Россия, 1993), 16-м Международном конгрессе по биохимии и молекулярной биологии (Нью-Дели, Индия, 1994), 7-м Международном конгрессе по бактериологии и прикладной микробиологии (Прага, ЧСФР, 1994), Международном рабочем совещании по азоспириллам и родственным микроорганизмам (Шарвар, Венгрия, 1994), 9-м Баховском коллоквиуме по азотфиксации (Москва, Россия, 1995), 3-й Международной конференции по молекулярному узнаванию (Сингапур, 1995), 10-м Международном конгрессе по азотфиксации (Санкт-Петербург. Россия, 1995). Международном рабочем совешаш-ш по аесоииативно>.гу взаимодействию азотфиксируюішгх бактерий с растениями (Саратов, Россия, 1995). 23-й конференции Федерации Европейских Биохимических Обществ (Базель, Швейцария, 1995), 6-й международной конференции "Современные проблемы биохимии и молекулярной биологии (Москва, Россия, 1995 ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора литературы, описания материалов и методов, изложения полученных результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 135 стр^жгяях машинописного текста, зключает 3 таблицы и 11 рисункоз. Список литературных источников содержит 210 наименований, втом числе 180 зарубежных.