Paleontologische gegevens geven aan dat de oudste peulvruchten die knobbeltjes hadden, waren enkele planten die behoren tot de Eucaesalpinioideae-groep.

In moderne peulvruchtensoorten worden knobbeltjes gevonden op de wortels van veel leden van de Papilionaceae-familie.

Fylogenetisch meer primitieve vertegenwoordigers van families als Caesalpiniaceae en Mimosaceae vormen in de meeste gevallen geen knobbeltjes.

Van de 13.000 soorten (550 geslachten) vlinderbloemigen is de aanwezigheid van knobbeltjes tot nu toe slechts bij ongeveer 1.300 soorten (243 geslachten) aangetoond. Dit omvat voornamelijk plantensoorten die in de landbouw worden gebruikt (meer dan 200).

Nadat ze knobbeltjes hebben gevormd, verwerven peulvruchten het vermogen om atmosferische stikstof te assimileren. Ze kunnen zich echter ook voeden met gebonden vormen van stikstof - ammonium- en salpeterzuurzouten. Slechts één plant, het Hedysarum coronarium, assimileert alleen moleculaire stikstof. Daarom komt deze plant in de natuur niet voor zonder knobbeltjes.

Knobbelbacteriën voorzien de peulvrucht van stikstof, die vanuit de lucht wordt gefixeerd. Planten op hun beurt voorzien bacteriën van koen minerale zouten die ze nodig hebben voor groei en ontwikkeling.

In 1866 zag de beroemde botanicus en bodemwetenschapper MS Voronin kleine "lichaampjes" in de knobbeltjes op de wortels van vlinderbloemigen. Voronin kwam voor die tijd met gedurfde aannames: hij koppelde de vorming van knobbeltjes aan de activiteit van bacteriën, en de verhoogde celdeling van het wortelweefsel aan de reactie van de plant op bacteriën die de wortel binnendringen.

20 jaar later isoleerde de Nederlandse wetenschapper Beijerin K bacteriën uit de knobbeltjes van erwten, wikke, kin, bonen, seradella en leliewier en bestudeerde hun eigenschappen door hun vermogen te testen om planten te infecteren en de vorming van knobbeltjes te induceren. Hij noemde deze micro-organismen Bacillus radicicola. Omdat bacteriën die sporen vormen tot het geslacht Bacillus behoren, en knobbelbacteriën dit vermogen niet hebben, heeft A. Prazhmovsky ze omgedoopt tot Bacterium radicicola. B. Frank suggereerde een meer succesvolle generieke naam voor knobbelbacteriën - Rhizobium (van het Griekse rhizo - wortel, bio - leven; leven op de wortels). Deze naam heeft wortel geschoten en wordt nog steeds in de literatuur gebruikt.

Om de soort knobbelbacteriën aan te duiden, is het gebruikelijk om een ​​term toe te voegen die overeenkomt met de generieke naam Rhizobium Latijnse naam van het type plant, uit de knobbeltjes waarvan ze geïsoleerd zijn en waarop ze knobbeltjes kunnen vormen. Bijvoorbeeld Rhizobium trifolii - klaverknobbelbacteriën, Rhizobium lupini - lupineknobbelbacteriën, enz. In gevallen waarin knobbelbacteriën knobbeltjes kunnen vormen op de wortels van verschillende soorten peulvruchten, dat wil zeggen de zogenaamde kruisinfectie veroorzaken, de specifieke naam is als collectief - het weerspiegelt precies dit "kruisvervuilende" vermogen. Bijvoorbeeld Rhizobium leguminosarum - knobbelbacteriën van erwten (Pisum), linzen (Lens), kin (Lathyrus).

Morfologie en fysiologie van knobbelbacteriën. Knobbelbacteriën worden gekenmerkt door een verbazingwekkende verscheidenheid aan vormen - polymorfisme. Veel onderzoekers hebben hier aandacht aan besteed bij het bestuderen van knobbelbacteriën in zuivere cultuur in laboratoriumomstandigheden en in de bodem. Knobbelbacteriën kunnen staafvormig en ovaal zijn. Onder deze bacteriën zijn er ook filtreerbare vormen, L-vormen, coccoïde immobiele en mobiele organismen.

Jonge knobbelbacteriën in zuivere cultuur op voedingsbodems hebben meestal een staafachtige vorm (Fig. 143, 2, 3), de grootte van de staafjes is ongeveer 0,5-0,9 X 1,2-3,0 micron, mobiel, vermenigvuldigen per deling. In staafvormige cellen van klaverknobbelbacteriën wordt deling door rijgen waargenomen. Met de leeftijd kunnen staafcellen beginnen te ontluiken. Volgens Gram kleuren cellen negatief, hun ultrafijne structuur is typisch voor gramnegatieve bacteriën (Fig. 143, 4).

Met het ouder worden verliezen knobbelbacteriën hun mobiliteit en gaan over in de toestand van de zogenaamde gordelstaven. Ze kregen deze naam vanwege de afwisseling van dichte en losse delen van protoplasma in de cellen. De bandvorming van cellen wordt goed gedetecteerd onder een lichtmicroscoop na behandeling van cellen met anilinekleurstoffen. Dichte gebieden van protoplasma (riemen) zijn erger gekleurd dan de openingen ertussen. In een luminescentiemicroscoop zijn de banden lichtgroen, de openingen ertussen gloeien niet en zien er donker uit (afb. 143, 1). De riemen kunnen in het midden van de kooi of aan de uiteinden worden geplaatst. De gordel van de cellen is ook zichtbaar op elektronogrammen, als het monster voor het bekijken niet met contrastmiddelen is behandeld (afb. 143, 3). Waarschijnlijk is de bacteriecel met de leeftijd gevuld met vettige insluitsels die geen kleur waarnemen en als gevolg daarvan de strepen van de cel veroorzaken. Het stadium van "gordelstaven" gaat vooraf aan het stadium van vorming van bacteroïden - cellen met een onregelmatige vorm: verdikt, vertakt, bolvormig, peervormig en kolfvormig (Fig. 144). De term "bacteroïden" werd in 1885 door J. Brunhorst in de literatuur geïntroduceerd, waarbij hij werd toegepast op formaties met een ongewone vorm, veel groter dan de staafvormige cellen van bacteriën die in de weefsels van knobbeltjes worden aangetroffen.

,

Bacteriën bevatten meer volutinekorrels en worden gekenmerkt door een hoger glycogeen- en vetgehalte dan staafcellen. Bacteriën die in kunstmatige voedingsmedia worden gekweekt en in knobbelweefsels worden gevormd, zijn fysiologisch van hetzelfde type. Er wordt aangenomen dat bacteroïden vormen van bacteriën zijn met een onvolledig delingsproces. Bij onvolledige deling van cellen van knobbelbacteriën ontstaan ​​dichotoom vertakte vormen van bacteroïden. Het aantal bacteroïden neemt toe met het ouder worden van de kweek; hun uiterlijk wordt vergemakkelijkt door de uitputting van het voedingsmedium, de ophoping van stofwisselingsproducten, de introductie van alkaloïden in het medium.

In oude (twee maanden oude) kweken van knobbelbacteriën, met behulp van een elektronenmicroscoop, is het mogelijk om in veel cellen duidelijk afgebakende formaties met een bolvorm te onthullen (Fig. 145) - artrosporen. Hun aantal in cellen varieert van 1 tot 5.

Op voedingsmedia groeien knobbelbacteriën van verschillende soorten peulvruchten met verschillende snelheden. De snelgroeiende bacteriën omvatten erwt, klaver, luzerne, tuinbonen, wikke, linzen, rang, zoete klaver, fenegriek, bonen, kikkererwten en lyadvenets; tot langzaam groeiende - knobbelige bacteriën van lupine, sojabonen, pinda's, seradella, mungboon, cowpea, sainfoin, gaspeldoorn. Volledig gevormde kolonies van snelgroeiende culturen kunnen worden verkregen op de 3e - 4e dag van incubatie, kolonies van langzaam groeiende culturen - op de 7e - 8e.

Voor snelgroeiende knobbelbacteriën is de peritrichiale rangschikking van flagella kenmerkend, voor langzaam groeiende bacteriën is deze monotrichiaal (Tabel 42, 1-5).

Naast flagella worden filamenteuze en kraalachtige uitgroeiingen gevormd in de cellen van knobbelbacteriën wanneer ze op vloeibare media worden gekweekt (tabellen 42, 43). Hun lengte bereikt 8-10 micron. Ze bevinden zich meestal op het oppervlak van de peritrichiale cel, er zijn er van 4 tot 10 of meer per cel.

,

Kolonies van snelgroeiende knobbelbacteriën hebben de kleur van gebakken melk, vaak doorschijnend, slijmerig, met gladde randen, matig convex, na verloop van tijd groeien ze op het oppervlak van het agarmedium. Kolonies van langzaam groeiende bacteriën zijn meer convex, kleiner, droog, dicht en groeien in de regel niet op het oppervlak van het medium. Het slijm dat door knobbelbacteriën wordt geproduceerd, is een complexe verbinding van het polysacharidetype, die hexosen, pentosen en uronzuren omvat.

Knobbelbacteriën zijn microaerofielen (ontwikkelen zich met onbeduidende hoeveelheden zuurstof in de omgeving), maar geven de voorkeur aan aerobe omstandigheden.

Als koolstofbron in voedingsmedia gebruiken knobbelbacteriën koolhydraten en organische zuren, als bron van stikstof - een verscheidenheid aan minerale en organische stikstofbevattende verbindingen. Knobbelbacteriën kunnen bij teelt op media met een hoog gehalte aan stikstofhoudende stoffen hun vermogen om in de plant door te dringen en knobbeltjes te vormen, verliezen. Daarom worden knobbelbacteriën meestal gekweekt op plantenextracten (bonen, erwtenbouillon) of bodemextracten. De knobbelbacteriën die nodig zijn voor de ontwikkeling van fosfor kunnen worden verkregen uit minerale en organische fosforhoudende verbindingen; een bron van calcium, kalium en andere minerale elementen minerale verbindingen kunnen dienen.

Om externe saprofytische microflora te onderdrukken bij het isoleren van knobbelbacteriën uit knobbeltjes of rechtstreeks uit de grond, worden kweekmedia met toevoeging van kristalviolet, tannine of antibiotica aanbevolen.

De meeste culturen van knobbelbacteriën vereisen: optimale temperatuur binnen 24-26 °. Bij 0° en 37°C stopt de groei. Gewoonlijk worden kweken van knobbelbacteriën in een laboratorium bij lage temperaturen (2-4 ° C) bewaard.

Veel soorten knobbelbacteriën zijn in staat om B-vitamines te synthetiseren, evenals groeistoffen zoals heteroauxine (α-indolazijnzuur).

Alle knobbelbacteriën zijn ongeveer even resistent tegen de alkalische reactie van het medium (pH = 8,0), maar oneven gevoelig voor zuur.

Specificiteit, virulentie, concurrentievermogen en activiteit van knobbelbacteriën.

Concept specificiteit knobbelbacteriën - collectief. Het kenmerkt het vermogen van bacteriën om knobbeltjes in planten te vormen. Als we het hebben over knobbelbacteriën in het algemeen, dan is voor hen de vorming van knobbeltjes alleen in een groep vlinderbloemige planten al specifiek op zich - ze zijn selectief voor peulvruchten.

Als we echter individuele culturen van knobbelbacteriën beschouwen, blijkt dat er onder hen die zijn die slechts een bepaalde, soms grotere, soms kleinere groep peulvruchten kunnen infecteren, en in die zin is de specificiteit van knobbelbacteriën het selectieve vermogen met betrekking tot de waardplant. De specificiteit van knobbelbacteriën kan smal zijn (klaverknobbelbacteriën infecteren alleen een groep klavers - soortspecificiteit, en lupineknobbelbacteriën kunnen zelfs worden gekenmerkt door rasspecificiteit - infecteren alleen alkaloïde of niet-alkaloïde varianten van lupine). Met een brede specificiteit kunnen knobbelbacteriën van erwten erwtenplanten, gelederen, bonen infecteren, en knobbelbacteriën van gelederen en bonen kunnen erwtenplanten infecteren, dwz ze worden allemaal gekenmerkt door het vermogen van "kruisinfectie". De specificiteit van knobbelbacteriën ligt ten grondslag aan hun classificatie.

De specificiteit van knobbelbacteriën is ontstaan ​​als gevolg van hun langdurige aanpassing aan één plant of aan een groep van hen en de genetische overdracht van deze eigenschap. In dit opzicht is er ook een ander aanpassingsvermogen van knobbelbacteriën aan planten binnen de kruisinfectiegroep. Zo kunnen alfalfaknobbelbacteriën knobbeltjes vormen in de zoete klaver. Maar niettemin zijn ze meer aangepast aan alfalfa en zoete klaverbacteriën - aan melilot.

In het proces van infectie van het wortelstelsel van vlinderbloemige planten met knobbelbacteriën, is het van groot belang virulentie micro-organismen. Als de specificiteit het werkingsspectrum van bacteriën bepaalt, dan kenmerkt de virulentie van knobbelbacteriën de activiteit van hun werking binnen dit spectrum. Virulentie verwijst naar het vermogen van knobbelbacteriën om het wortelweefsel binnen te dringen, zich daar te vermenigvuldigen en knobbeltjes te veroorzaken.

Een belangrijke rol wordt niet alleen gespeeld door het vermogen om in de wortels van een plant door te dringen, maar ook door de snelheid van deze penetratie.

Om de virulentie van een stam van knobbelbacteriën te bepalen, is het noodzakelijk om het vermogen ervan om de vorming van knobbeltjes te induceren vast te stellen. Het criterium voor de virulentie van elke stam kan het minimale aantal bacteriën zijn dat zorgt voor een krachtiger infectie van de wortels in vergelijking met andere stammen, wat resulteert in de vorming van knobbeltjes.

In aarde, in aanwezigheid van andere stammen, zal de meer virulente stam niet altijd eerst de plant infecteren. In dat geval dient u er rekening mee te houden. concurrentievermogen, die vaak de virulentie-eigenschap maskeert in natuurlijke omstandigheden.

Het is noodzakelijk dat virulente stammen ook concurrentievermogen hebben, dat wil zeggen dat ze niet alleen met succes kunnen concurreren met vertegenwoordigers van de lokale saprofytische microflora, maar ook met andere stammen van knobbelbacteriën. Een indicator voor het concurrentievermogen van een soort is het aantal knobbeltjes dat erdoor wordt gevormd als percentage van het totale aantal knobbeltjes op de wortels van planten.

Een belangrijke eigenschap van knobbelbacteriën is hun werkzaamheid(efficiëntie), dat wil zeggen het vermogen om moleculaire stikstof te assimileren in symbiose met vlinderbloemige planten en te voldoen aan de behoeften van de waardplant. Afhankelijk van de mate waarin knobbelbacteriën bijdragen aan een verhoging van de opbrengst van peulvruchten (Fig. 146) worden ze meestal onderverdeeld in actief (effectief), inactief (ineffectief) en inactief (ineffectief).

Een bacteriestam die inactief is voor de ene waardplant in symbiose met een andere soort bonenplant kan behoorlijk effectief zijn. Daarom moet bij het karakteriseren van een soort in termen van effectiviteit altijd worden aangegeven bij welke soort waardplant het effect zich manifesteert.

De activiteit van knobbelbacteriën is geen permanente eigenschap. Vaak is er in de laboratoriumpraktijk activiteitsverlies in kweken van knobbelbacteriën. In dit geval gaat ofwel activiteit verloren in de gehele kweek, of verschijnen er individuele cellen met lage activiteit. Een afname van de mate van activiteit van knobbelbacteriën treedt op in aanwezigheid van bepaalde antibiotica en aminozuren. Een van de redenen voor het verlies van activiteit van knobbelbacteriën kan de invloed van een faag zijn. Door, dat wil zeggen, herhaalde passage van bacteriën door de waardplant (aanpassing aan een bepaald type plant), kunt u effectieve stammen krijgen van ineffectieve stammen.

Blootstelling aan y-stralen maakt het mogelijk om stammen met verhoogde efficiëntie te verkrijgen. Er zijn gevallen bekend van het ontstaan ​​van zeer actieve radiomutanten van alfalfaknobbelbacteriën uit een inactieve stam. Het gebruik van ioniserende straling, dat een direct effect heeft op de verandering van de genetische eigenschappen van de cel, kan naar alle waarschijnlijkheid een veelbelovende methode zijn voor de selectie van zeer actieve stammen van knobbelbacteriën.

Infectie van een peulvruchtplant met knobbelbacteriën.

Om het normale proces van infectie van het wortelstelsel met knobbelbacteriën te verzekeren, is het noodzakelijk om een ​​vrij groot aantal levensvatbare bacteriecellen in de wortelzone te hebben. Onderzoekers verschillen van mening over het aantal cellen dat nodig is om het inentingsproces te ondersteunen. Zo zijn volgens de Amerikaanse wetenschapper O. Allan (1966) 500-1000 cellen nodig voor de inoculatie van planten met kleine zaden en ten minste 70.000 cellen per zaad voor de inenting van planten met grote zaden. Volgens de Australische onderzoeker J. Vincent (1966) moet elk zaadje op het moment van inoculatie minstens enkele honderden levensvatbare en actieve cellen van knobbelbacteriën bevatten. Er zijn aanwijzingen dat ook enkele cellen in het wortelweefsel kunnen worden ingebracht.

Met de ontwikkeling van het wortelstelsel van een peulvruchtplant wordt de reproductie van wortelknobbelbacteriën op het worteloppervlak gestimuleerd door wortelafscheidingen. De producten van vernietiging van wortelkappen en haren spelen ook een belangrijke rol bij het voorzien van knobbelbacteriën van een geschikt substraat.

In de rhizosfeer van een peulvruchtplant wordt de ontwikkeling van knobbelbacteriën sterk gestimuleerd; voor graanplanten wordt dit fenomeen niet waargenomen.

Op het oppervlak van de wortel bevindt zich een laag slijmerige substantie (matrix), die zich vormt ongeacht de aanwezigheid van bacteriën in de rhizosfeer. Deze laag is duidelijk zichtbaar bij onderzoek in een licht-optische microscoop (afb. 147). Na inoculatie haasten knobbelbacteriën zich meestal naar deze laag en hopen zich daarin op (Fig. 148) vanwege het stimulerende effect van de wortel, dat zich zelfs op een afstand van maximaal 30 mm manifesteert.

,

In deze periode, voorafgaand aan de introductie van knobbelbacteriën in het wortelweefsel, zijn bacteriën in de rhizosfeer extreem mobiel. In vroege werken, waarin een lichtmicroscoop werd gebruikt voor onderzoek, werden knobbelbacteriën die zich in de rhizosfeer bevonden, zwermers (gonidia of zoösporen) genoemd - "zwermen". Met behulp van de methode van Fareus (1957) is het mogelijk om de vorming van extreem snel bewegende swermerkolonies in het gebied van de wortelpunt en wortelharen waar te nemen. Schwermer-kolonies bestaan ​​voor een zeer korte tijd - minder dan een dag.

Over het mechanisme van penetratie Er zijn een aantal hypothesen over knobbelbacteriën in de wortel van een plant. De meest interessante daarvan zijn de volgende. De auteurs van een van de hypothesen stellen dat knobbelbacteriën de wortel binnendringen door schade aan het epidermale en korstweefsel (vooral in de takken van de zijwortels). Deze hypothese werd naar voren gebracht op basis van het onderzoek van Brill (1888), die de vorming van knobbeltjes in vlinderbloemigen veroorzaakte door de wortels te doorboren met een naald die eerder was ondergedompeld in een suspensie van knobbelbacteriën. In een speciaal geval is zo'n manier van implementeren heel reëel. In pinda's bevinden zich bijvoorbeeld knobbeltjes voornamelijk in de oksels van worteltakken, wat suggereert dat knobbelbacteriën de wortel binnendringen door breuken tijdens het ontkiemen van zijwortels.

De hypothese over het binnendringen van wortelknobbelbacteriën in het wortelweefsel via wortelharen is interessant en niet ongegrond. Het pad van passage van knobbelbacteriën door wortelharen wordt door de meeste onderzoekers erkend.

De aanname van P. Dart en F. Mercer (1965) dat knobbelbacteriën in de wortel worden geïntroduceerd in de vorm van kleine (0,1-0,4 m) coccoïde cellen met tussenpozen (0,3-0,4 m) cellulose is zeer overtuigend. van het primaire membraan van wortelharen. Elektronenmicroscopische foto's (Fig. 149) van het worteloppervlak verkregen door de replicamethode, en het feit dat de cellen van knobbelbacteriën in de rhizosfeer van vlinderbloemige planten kleiner worden, bevestigen deze positie.

Het is mogelijk dat wortelknobbelbacteriën via de epidermale cellen van de jonge wortelpunten in de wortel kunnen doordringen. Volgens Prazhmovsky (1889) kunnen bacteriën alleen door het jonge celmembraan (wortelharen of epidermale cellen) in de wortel doordringen en zijn ze volledig niet in staat om de chemisch veranderde of kurkachtige laag van de cortex te overwinnen. Dit kan verklaren dat knobbeltjes zich meestal ontwikkelen op jonge delen van de hoofdwortel en opkomende zijwortels.

Onlangs is de auxinehypothese erg populair geworden. De auteurs van deze hypothese zijn van mening dat wortelknobbelbacteriën de wortel binnendringen door de synthese te stimuleren van (β-indolazijnzuur (heteroauxine) uit tryptofaan, dat altijd aanwezig is in exsudaten van plantenwortels. fig. 150).

Het is duidelijk dat de bron van β-indoolazijnzuur op het moment van planteninfectie niet alleen planten zijn die tryptofaan afscheiden via het wortelstelsel, dat door veel soorten bacteriën, waaronder wortelknobbeltjes, kan worden omgezet in β-indoolazijnzuur. De knobbelbacteriën zelf, en mogelijk andere soorten bodemmicro-organismen die in de wortelzone leven, kunnen ook deelnemen aan de synthese van heteroauxine.

De auxinehypothese kan echter niet onvoorwaardelijk worden aanvaard. Het effect van heteroauxine is niet-specifiek en veroorzaakt kromming van wortelharen bij verschillende plantensoorten, niet alleen bij peulvruchten. Tegelijkertijd veroorzaken wortelknobbelbacteriën kromming van wortelharen alleen in vlinderbloemige planten, terwijl ze een vrij significante selectiviteit vertonen. Als het betreffende effect alleen door β-indoolazijnzuur zou worden bepaald, zou een dergelijke specificiteit niet bestaan. Bovendien is de aard van veranderingen in wortelharen onder invloed van knobbelbacteriën enigszins anders dan onder invloed van heteroauxine.

Er moet ook worden opgemerkt dat in sommige gevallen niet-gebogen wortelharen worden blootgesteld aan infectie. Waarnemingen tonen aan dat in luzerne en erwten 60-70% van de wortelharen gebogen en gekruld zijn, en in klaver - ongeveer 50%. Bij sommige soorten klaver wordt deze reactie opgemerkt in niet meer dan 1/4 van de geïnfecteerde haren. Bij de krommingsreactie is uiteraard de conditie van de wortelhaar van groot belang. Groeiende wortelharen zijn het meest gevoelig voor de werking van stoffen die door bacteriën worden geproduceerd.

Het is bekend dat knobbelbacteriën verweking van de wanden van wortelharen veroorzaken. Ze vormen echter geen cellulase of pectinolytische enzymen. In dit verband werd gesuggereerd dat knobbelbacteriën de wortel binnendringen vanwege de afscheiding van slijm van een polysacharide-aard, dat de synthese van het enzym polygalacturonase door planten veroorzaakt. Dit enzym, dat pectinestoffen vernietigt, tast het membraan van de wortelharen aan, waardoor het plastischer en doorlaatbaarder wordt. in niet grote hoeveelheden polygalacturonase is altijd aanwezig in wortelharen en, blijkbaar, veroorzaakt het gedeeltelijk oplossen van de overeenkomstige componenten van het membraan, waardoor de cel kan rekken.

Sommige onderzoekers geloven dat wortelknobbelbacteriën de wortel binnendringen via satellietbacteriën die pectinolytische enzymen produceren. Deze hypothese werd naar voren gebracht op basis van de volgende feiten. Tijdens microscopie van wortelharen merkten veel onderzoekers de aanwezigheid van een lichte vlek op, waaromheen knobbelbacteriën zich ophopen. Deze plek kan een teken zijn van het begin van weefselmaceratie (vernietiging) door protopectinase, naar analogie met dezelfde eigenschap die wordt waargenomen bij planten met veel bacteriële ziekten. Bovendien werd gevonden dat avirulente kweken van knobbelbacteriën in de aanwezigheid van bacteriën die pectinolytische enzymen produceren in staat worden om in de wortel te penetreren.

Er moet nog een hypothese worden opgemerkt, volgens welke knobbelbacteriën de wortel binnendringen tijdens de vorming van een vingerachtige invaginatie van het oppervlak van het wortelhaar. Het elektronendiffractiepatroon van een wortelhaarsnede, dat deze hypothese bevestigt (Fig. 150, 3), toont een wortelhaar gebogen in de vorm van een parapluhandvat, in de bocht waarvan zich een opeenhoping van knobbelbacteriën bevindt. Knobbelbacteriën worden als het ware door de wortelharen naar binnen gezogen (geslikt) (zoals pinocytose).

De invaginatiehypothese kan in wezen niet worden gescheiden van de auxine- of enzymatische hypothese, aangezien invaginatie optreedt als gevolg van blootstelling aan ofwel een auxine ofwel een enzymatische factor.

Het proces van het inbrengen van knobbelbacteriën in het wortelweefsel is voor alle soorten vlinderbloemigen hetzelfde en bestaat uit twee fasen. In de eerste fase raken wortelharen geïnfecteerd. In de tweede fase is het proces van knobbelvorming intensief. De duur van de fasen is verschillend voor verschillende plantensoorten: in Trifolium fragiferum duurt de eerste fase 6 dagen, in Trifolium nigrescens - 3 dagen.

In sommige gevallen is het erg moeilijk om de grenzen tussen fasen te detecteren. De meest intensieve introductie van knobbelbacteriën in wortelharen vindt plaats in de vroege stadia van de ontwikkeling van de plant. De tweede fase eindigt tijdens de periode van massaknobbelvorming. Vaak gaat de introductie van knobbelbacteriën in wortelharen door, zelfs nadat de knobbeltjes zich op de wortels hebben gevormd. Deze zogenaamde overmatige of extra infectie ontstaat doordat de infectie van de haren niet stopt. lange tijd... Op een later tijdstip van infectie worden knobbeltjes meestal lager langs de wortel geplaatst.

Het type ontwikkeling, structuur en dichtheid van wortelharen hebben geen invloed op de penetratiesnelheid van knobbelbacteriën. De plaatsen van knobbelvorming zijn niet altijd geassocieerd met de plaatsen van de geïnfecteerde haren.

Nadat ze in de wortel zijn doorgedrongen (door het wortelhaar, epidermale cel, wortelbeschadigingsplaatsen), gaan de wortelknobbelbacteriën verder in het plantenwortelweefsel. Bacteriën gaan het gemakkelijkst door de intercellulaire ruimten.

Een enkele cel of een groep bacteriecellen kan in het wortelweefsel doordringen. Als er een aparte cel wordt ingebracht, kan deze zich als eenling door het weefsel blijven bewegen. De route van wortelinfectie door afzonderlijke cellen is kenmerkend voor lupineplanten.

In de meeste gevallen vormt de binnenvallende cel, die zich actief vermenigvuldigt, de zogenaamde infectieuze draden (of infectieuze strengen) en al in de vorm van dergelijke draden beweegt zich in het plantenweefsel.

De term "besmettelijke draad" is ontstaan ​​uit de studie van het infectieproces in een lichtmicroscoop. Beginnend met het werk van Beijerinck, werd de infectiedraad beschouwd als een slijmvliesachtige massa waarin zich vermenigvuldigende bacteriën bevonden.

In wezen is een infectiedraad een kolonie van vermenigvuldigende bacteriën. De oorsprong is de plaats waar een enkele cel of een groep cellen is doorgedrongen. Het is mogelijk dat zich een kolonie bacteriën (en bijgevolg de toekomstige infectieuze draad) begint te vormen op het oppervlak van de wortel voordat bacteriën in de wortel worden geïntroduceerd.

Het aantal geïnfecteerde wortelharen verschilt sterk van plant tot plant. Infectieuze filamenten verschijnen meestal in vervormde, gedraaide wortelharen. Er zijn echter aanwijzingen dat soortgelijke draden soms worden aangetroffen in steil haar. Vaker wordt één vertakkende draad waargenomen in de wortelharen, minder vaak twee. In sommige gevallen zijn er in één wortelhaar meerdere filamenten, of in meerdere zijn er gemeenschappelijke infectiefilamenten, die aanleiding geven tot één knobbel (Fig. 151).

Het percentage geïnfecteerde wortelharen in het totaal aantal misvormde haren is onverklaarbaar laag. Het varieert meestal van 0,6 tot 3,2 en bereikt af en toe een 8,0. Het aandeel succesvolle infecties is zelfs nog lager, omdat er onder de infectieuze draden veel (tot 80%) zogenaamde mislukte draden zijn die zich niet meer ontwikkelen. De voortgangssnelheid van normaal ontwikkelende infectieuze draden in een plant is 5 - 8 micron per uur. Met deze snelheid kan een besmettelijke draad binnen één dag door een wortelhaar van 100-200 micron gaan.

Morfologische en anatomische kenmerken van knobbeltjes in hun ontogenese.

Volgens de vormingsmethode zijn knobbeltjes van vlinderbloemige planten verdeeld in twee soorten:

1e type - knobbeltjes ontstaan ​​​​tijdens de deling van cellen van de pericycle (hoeklaag), meestal gelegen tegenover het protoxyleem (de eerste in de tijd van vasculaire vorming) - endogeen type knobbelvorming;

Type 2 - knobbeltjes zijn afkomstig van de wortelcortex als gevolg van de introductie van de ziekteverwekker in de parenchymale cellen van de cortex en endoderm (binnenlaag van de primaire cortex) - een exogeen type knobbelvorming.

Het laatste type overheerst in de natuur. De weefsels van de centrale cilinder van de wortel zijn alleen betrokken bij de vorming vasculair systeem knobbeltjes van zowel endogene als exogene typen.

Ondanks verschillende opvattingen over de aard van het ontstaan ​​van knobbeltjes van exo- en endotypes, is hun ontwikkelingsproces in wezen hetzelfde. Noch het ene noch het andere type knobbelvorming mag echter op geen enkele manier worden geïdentificeerd met het proces van laterale wortelvorming, ondanks het feit dat er enige overeenkomsten zijn in hun oorsprong. De vorming van knobbeltjes en zijwortels vindt dus gelijktijdig en bovendien in dezelfde wortelzone plaats.

Tegelijkertijd benadrukken een aantal kenmerken van de ontwikkeling van zijwortels en knobbeltjes diepe verschillen in het type van hun formatie. In de pericycle ontstaan ​​zijwortels. Vanaf de allereerste ontwikkelingsmomenten zijn ze verbonden met de centrale cilinder van de hoofdwortel, waaruit de centrale cilinders van de zijwortels vertakken, en ze ontspringen altijd tegen de straal van het primaire hout. De vorming van een knobbel is, in tegenstelling tot een zijwortel, overal mogelijk. Helemaal aan het begin van de vorming van knobbelweefsel is er geen vasculaire verbinding met de centrale cilinder van de wortel; deze ontstaat later. Vaten worden meestal gevormd langs de omtrek van de knobbel. Ze zijn verbonden met de vaten van de wortel via de tracheïdezone en hebben hun eigen endoderm (Fig. 152).

Het verschil in de aard van knobbeltjes en zijwortels wordt vooral duidelijk waargenomen bij seradella, aangezien het korstweefsel van de hoofdwortel van deze plant - de plaats van oorsprong van de eerste knobbeltjes - uit een relatief kleine laag cellen bestaat en de knobbeltjes worden zeer snel zichtbaar na wortelinfectie met bacteriën. Ze vormen eerst afgeplatte uitsteeksels aan de wortel, waardoor ze te onderscheiden zijn van de kegelvormige uitsteeksels van de zijwortels. De knobbeltjes verschillen van de zijwortels in een aantal anatomische kenmerken: de afwezigheid van een centrale cilinder, wortelkappen en epidermis, en de aanwezigheid van een aanzienlijke laag schors die de knobbel bedekt.

De vorming van knobbeltjes (Fig. 153, 1, 2) van vlinderbloemigen vindt plaats in de periode dat de wortel nog een primaire structuur heeft. Het begint met de deling van kerncellen die zich op een afstand van 2-3 lagen van de uiteinden van de infectieuze filamenten bevinden. De lagen van de schors, doorboord met besmettelijke draden, blijven ongewijzigd. Tegelijkertijd vindt bij seradella de deling van kerncellen direct onder het geïnfecteerde wortelhaar plaats, terwijl bij erwten celdeling alleen in de voorlaatste laag van de cortex wordt opgemerkt.

Deling met de vorming van een radiale weefselstructuur gaat door naar de binnenste kerncellen. Het gebeurt zonder een bepaalde richting, willekeurig, en als gevolg hiervan ontstaat een meristeem (systeem van educatieve weefsels) van de knobbel, bestaande uit kleine korrelige cellen.

De verdeelde cellen van de cortex veranderen: de kernen zijn afgerond en vergroot, vooral de nucleoli zijn vergroot. Na mitose divergeren de kernen en beginnen ze, zonder hun oorspronkelijke vorm aan te nemen, opnieuw te delen.

Er ontstaat een secundair meristeem. Al snel verschijnen er tekenen van beginnende deling in het endoderm en de pericycle, die in de voormalige buitenste cellen voornamelijk plaatsvinden door tangentiële septa. Deze deling strekt zich tenslotte uit tot het algemene meristeemcomplex, waarvan de kleine cellen zich uitstrekken, de vacuolen verdwijnen en de kern het grootste deel van de cel vult. Er wordt een zogenaamde primaire knobbel gevormd, in het celplasma waarvan knobbelbacteriën afwezig zijn, omdat ze zich in dit stadium nog in de infectieuze filamenten bevinden. Terwijl de primaire knobbel wordt gevormd, vertakken de infectieuze filamenten zich vele malen en kunnen ze ofwel intercellulair tussen de cellen passeren (Fig. 154), of door de cellen - intracellulair - en bacteriën introduceren (Fig. 155).

,

Door de actieve reproductie van knobbelbacteriën daarin krijgen intercellulaire infectieuze draden vaak een bizarre vorm - ze worden gevormd in de vorm van pockets (diverticula) of fakkels (zie Fig. 154).

Het proces van verplaatsing van infectieuze filamenten van cel naar cel is niet helemaal duidelijk. Blijkbaar dwalen de infectieuze draden, volgens de Canadese microbioloog D. Jordan (1963), in de vorm van naakte slijmvliezen in de intercellulaire ruimten van plantenweefsel totdat ze, vanwege nog steeds onverklaarbare redenen, beginnen te penetreren in het cytoplasma van aangrenzende cellen.

In sommige gevallen vindt de invaginatie van de infectiedraad plaats in één, in sommige gevallen - in elke aangrenzende cel. Door deze geïnvagineerde buisvormige holtes (diverticula) stroomt de inhoud van de draad, ingesloten in slijm. Meest actieve groei Infectieuze filamenten komen meestal voor in de buurt van de kern van de plantencel. Penetratie van het filament gaat gepaard met de beweging van de kern, die naar de plaats van infectie gaat, toeneemt, van vorm verandert en degenereert. Een soortgelijk beeld wordt waargenomen bij een schimmelinfectie, wanneer de kern vaak snorhaar is

0

De ontwikkeling van symbiotische associaties tussen peulvruchten en knobbelbacteriën is van groot belang voor de agronomie. Deze symbiose levert het grootste deel van de biologisch gebonden stikstof die beschikbaar is voor gewassen.

Knobbelbacteriën zijn vrij veel voorkomende gramnegatieve micro-organismen, gecombineerd tot één familie met de bekende fytopathogene bacteriën Agrobacterium. Hoewel knobbelbacteriën in dit artikel uitsluitend worden besproken vanuit het oogpunt van hun rol in symbiotische relaties met planten, moet altijd worden bedacht dat ze zeer goed zijn aangepast om op lange termijn in de bodem te overleven, zelfs bij afwezigheid van specifieke waardplanten . Evenzo kunnen de gastheren van deze bacteriën - peulvruchten, zoals sojabonen en klaver, goed groeien zonder hun symbionten. De symbiose van vlinderbloemige planten en knobbelbacteriën is dus eerder een optionele dan een verplichte associatie. Het is meestal gunstig voor beide organismen, maar niet noodzakelijk voor hun ontwikkeling. Elke partner van deze vereniging kan zijn eigen leven leiden en is daarvoor goed toegerust. Daarom kan worden verwacht dat in het proces van infectie en het tot stand brengen van symbiose, de ontwikkeling van knobbelbacteriën snel zou moeten veranderen, dat wil zeggen dat er aanpassing plaatsvindt, waardoor ze van een complexe habitat in de bodem naar een dynamische omgeving op de wortel kunnen gaan oppervlak, en vervolgens naar een heel speciale omgeving in de cel. De waardplant moet ook snel reageren op de aanwezigheid van symbiotische bacteriën op het oppervlak van zijn wortels, en de reacties van de gastheer moeten duidelijk verschillen van hun reacties op andere bodemmicro-organismen. De waardplant moet grote interne veranderingen ondergaan, waardoor hij zijn bacteriële partner kan accepteren en kan overschakelen van het consumeren van gebonden stikstof uit exogene bronnen naar het assimileren van symbiotisch gevormd NH 3. Het is duidelijk dat het infectieproces en de ontwikkeling van symbiotische relaties bestaat uit een hele reeks mutualistische aanpassingen. In veel opzichten lijkt dit proces op de infectie van een vatbare gastheer met een pathogeen organisme, en tegelijkertijd zijn ze totaal verschillend.

Soja-infectie met Rhizobium japonicum begint blijkbaar met de reactie van de bacterie op het verschijnen van signalen en voedingsstoffen die worden uitgescheiden door de wortels van de gastheer. Rhizobium-cellen hechten zeer snel aan het worteloppervlak en kunnen binnen enkele seconden of minuten na wortelinoculatie worden gedetecteerd. De aanhechting van bacteriën is meestal polair. De volgende fase die in het infectieuze proces wordt waargenomen, is het draaien van de wortelharen. Draaiing en vervorming van de laatste worden specifiek veroorzaakt door knobbelbacteriën. Het krullen begint enkele uren na inoculatie en wordt merkbaar na ongeveer 12 uur Knobbelbacteriën dringen de gekrulde wortelharen binnen op het punt van de grootste buiging en dringen ze binnen als een buisvormige structuur die een infectieuze draad wordt genoemd. Deze filamenten dragen de cellen van de rhizobia, meestal in de vorm van een enkele ketting, naar de basis van de wortelhaar (naar de basale cel). De punt van de groeiende infectiedraad lijkt langs het pad van de gastheercelkern te bewegen. Totdat de infectieuze draad de basale cel van het haar verlaat, wordt de deling en vulling van het cytoplasma gestimuleerd in nabijgelegen corticale cellen. Infectiefilamenten dringen de celwand binnen die zich tussen de wortelhaarcel en aangrenzende corticale cellen bevindt en vertakken zich om veel continu delende corticale cellen te vangen. Vervolgens worden de cellen van knobbelbacteriën vrijgelaten uit de uiteinden van de infectiefilamenten in het cytoplasma van de gastheercellen. Direct na het vrijkomen worden de bacteriën ingekapseld door de cytoplasmatische membranen van de gastheercellen en komen ze dus nooit in direct contact met het gastheercytoplasma. De cellen van de knobbelbacteriën en de waardplant vermenigvuldigen zich en vormen structuren die knobbeltjes worden genoemd, die zijn samengesteld uit ongeveer gelijke gewichtsverhoudingen van bacteriën en plantenweefsels. De gastheer voorziet de rhizobia van de producten van fotosynthese, terwijl de bacteriën atmosferische N 2 omzetten in NH 3 en de planten voorzien van beschikbare stikstof.

Dit is een verbazingwekkend proces, opmerkelijk in zijn specificiteit, werkingsmechanismen, ontwikkeling en verfijning van de regelgeving. Het is een waar genoegen om het te observeren en te bestuderen.

We zijn begonnen met een systematische en veelzijdige studie van con Rhizobium japonicum infectie. Mijn collega's in dit werk waren fysiologen Arvind Bhag-wat, Margaret Pierce en T.V.Bhuvaneswari, cytologen Gillian Turgen, Mark Pence en Harry Calvert, biochemicus Andrew Mort, en mutagenesespecialisten Yang Lo en Poco Yamamoto. Onderzoek naar knobbelbacteriën begon met de studie van herkenningsmechanismen en gastheerspecificiteit. In ieder geval voor de meeste peulvruchten die in de gematigde zone leven, is er een duidelijk uitgesproken specificiteit voor rhizobia. Rhizobium meli-loti vormt bijvoorbeeld alleen knobbeltjes met luzerne en infecteert geen klaver of andere peulvruchten. Stammen van R. japonicum vormen alleen knobbeltjes met sojabonen, maar niet met luzerne, klaver, enz.

Moleculaire basis van de specificiteit van gastheren en knobbelbacteriën

Gastheerspecificiteit en herkenningsmechanismen zijn al vele jaren een uitgebreid onderzoeksgebied voor fytopathologen, waaronder degenen die Rhizobium-symbiose bestuderen. In 1975 brachten Albersheim en Anderson-Prouty de theoretische veronderstelling naar voren dat de herkenningsreactie in plantpathogeensystemen koolhydraatbindende eiwitten (d.w.z. lectines) van de gastheer omvat, die reageren met koolhydraten op het oppervlak van de celwanden van micro-organismen. Bijna gelijktijdig presenteerden Bolul en Schmidt experimenteel bewijs van een nauwe correlatie tussen het vermogen van verschillende knobbelbacteriën om sojabonen te infecteren en hun vermogen om gelabeld lectine in de zaden van deze plant te binden. We hebben de experimenten van Bolul en Schmidt met de grootste zorg gecontroleerd en de correlatie tussen de vorming van knobbeltjes en de binding van lectine door rhizobia bevestigd. Er zijn echter enkele afwijkingen van dit patroon opgemerkt in de wetenschappelijke literatuur:

Brethauer en Paxton, Chen en Phillips, Law en Striidom leverden bewijs dat er geen correlatie was tussen lectinebinding en nodulatie in sojabonen;

Sommige stammen van R. japonicum vormden zeer actief knobbeltjes, maar bonden niet aan sojalectine;

In een aantal rhizobia-stammen in kweek bond slechts een klein aantal cellen (1-5%) soja-lectine.

Op basis van waarnemingen hebben we één belangrijke regelmaat vastgesteld, namelijk dat het vermogen van Rhi-zobium japonicum-cellen om sojalectine te binden drastisch verandert met de leeftijd van de kweek. Deze bevinding suggereert dat het verschijnen of verdwijnen van lectinereceptorverbindingen op het oppervlak van Rhizobium-cellen op de een of andere manier wordt gereguleerd. Na bestudering van de mogelijkheid van de synthese van de lectinereceptor afhankelijk van de stoffen die aanwezig zijn in de gastheerwortels, ontdekten we dat alle geteste stammen van R. japonicum sojalectine binden wanneer ze worden gekweekt in de aanwezigheid van de gastheerwortels, terwijl op laboratoriummedia veel van de stammen had geen cellen die lectine konden binden ... Het effect van wortels op de vorming van lectinereceptoren maakt het mogelijk om de inconsistentie in de resultaten van experimenten met die bacteriestammen die knobbeltjes vormden, maar geen lectine bonden te verklaren, en ook om het gebrek aan correlatie tussen deze processen in de experimenten te begrijpen van andere onderzoekers. We weten echter nog steeds niet welke van de stoffen in de wortels van de waardplant verantwoordelijk zijn voor veranderingen in de receptorsynthese.

Figuur 1. Effect van de ouderdom van de kweek van Rhizobium japonicum stam 110 ARS op het aantal cellen dat sojalectine kan binden en op de vorming van knobbeltjes op primaire wortels boven de markering start positie wortelpunt (zie tekst) op het moment van inoculatie:

1 - aantal cellen / ml; 2 - het percentage cellen dat lectine bindt; 3 - het aantal knobbeltjes boven de markering, berekend per plant; 4 - het percentage planten met knobbeltjes boven de markering.

Het is ook relevant op te merken dat Dazzo en Hubbell een vergelijkbare duidelijke correlatie vonden tussen lectinebinding en nodulatie in de symbiotische associatie van klaver / Rhizobium trifolii.

De stabiliteit van correlaties met de binding van lectine in het soja / R, japonicum-systeem stelt ons in staat om nog twee vragen te overwegen:

Kan worden beargumenteerd dat het juiste lectine, dat op het juiste moment en op de juiste plaats op het oppervlak van sojabonen wordt gevonden, echt een rol speelt bij de herkenningsreactie?

Wat is de aard van de soja-lectinereceptor op het celoppervlak van Rhizobium japonicum?

Op de eerste vraag is momenteel geen eenduidig ​​antwoord te geven. Het beste bewijs hiervoor is afkomstig van de gegevens van Stacey et al., die aantoonden dat gelabelde antilichamen die specifiek zijn voor lectine van sojabonenzaad binden aan sojabonenwortels in tegenstelling tot gelabelde antilichamen van niet-specifiek serum. De lage bindingsdichtheid van gelabelde antilichamen kan verklaren waarom het moeilijk is om lectine in wortels te detecteren met andere, meer directe biochemische methoden.

Over de tweede vraag werden meer volledige en nauwkeurige gegevens verkregen. Volgens overtuigende cytologische en biochemische experimenten bindt sojalectine zich aan het materiaal van de capsule die de cellen van Rhizobium japonicum omgeeft. Met ferritine gelabeld sojalectine bindt zich aan het kapselmateriaal van bacteriën, maar niet aan het buitenste celmembraan. Deze relatie is biochemisch specifiek, zoals blijkt uit de hapteenremming van suiker, en is vrij van de effecten van fixatie-artefacten, zoals blijkt uit cryoharp.

We hebben het kapselmateriaal uit twee verschillende stammen van R. japonicum geïsoleerd en vastgesteld dat het bestaat uit een polysacharide, waarvan de structuur is weergegeven in figuur 2. Misschien wel het belangrijkste kenmerk van het kapselpolysacharide (CPS) is de aanwezigheid van een galactose zijketen in elke herhalende eenheid van het polymeer. Binding van sojalectine aan het bacteriële celoppervlak wordt bijzonder sterk geremd door de toevoeging van galactose of N-acetalgalactosamine, wat aangeeft dat galactose-achtige structuren een belangrijk onderdeel vormen van het lectine-specifieke bindingsmateriaal. Galactosylresten van het CPS bevatten soms een methylgroep op positie 4. Volgens Hammarström et al. bindt slaaplectine niet aan 4-O-methylgalactose. Daarom was de ontdekking van veranderingen in de samenstelling van suikers opgenomen in de CPS met de leeftijd van bacterieculturen van bijzonder belang. In oude culturen waren galactosylresten in het CPS vaker 4-O-gemethyleerd.

Rijst. 2. De structuur van een herhalende pentasaccharide-eenheid die een kapselpolysaccharide / exopolysaccharide (CPS / EPS) vormt in stammen 110/138 R. japonicum:

GL - glucose; Ma-mannose; GUA - galacturonzuur; Ha-galactose; Ats - acetaat; Ik - metnl.

De transformatie van niet-gemethyleerde galactose in gemethyleerde galactose vindt vooral snel plaats tijdens de periode waarin bacterieculturen van de exponentiële naar de stationaire groeifase overgaan. Tegelijkertijd is er een plotselinge afname van het aantal ingekapselde cellen en bacteriën die lectine in slaap kunnen binden. Veranderingen in de samenstelling van het SIJ en in de inkapseling verklaren het plotselinge verlies van het vermogen van deze stammen om lectine te binden. Zoals hieronder zal worden aangetoond, verliezen deze stammen bij het bereiken van de stationaire groeifase ook plotseling hun infectieuze capaciteit. Het is nog niet vastgesteld of er causale verbanden zijn tussen veranderingen in de chemische samenstelling van het SIJ, lectinebinding en de besmettelijkheid van Rhizobium.

Er moet rekening mee worden gehouden dat stammen van R. japonicum zowel een capsulair polysacharide (CPS) synthetiseren dat aan de gastheer bindt als een exopolysacharide (EPS) dat niet aan de gastheer bindt. Volgens de gegevens van Dudman vormen sommige stammen van R. japonicum EPS, waarvan de structuur is weergegeven in figuur 3. Dit EPS, geïsoleerd uit kweekfiltraten, bevat op betrouwbare wijze geen galactose-achtige residuen die sojalectine kunnen binden. Als deze laatste als soortspecifieke determinant fungeert bij herkenningsreacties voor alle bacteriën die knobbeltjes vormen op sojabonen, zouden deze stammen van R. japonicum op hun beurt ook, althans in kleine hoeveelheden, een soort CPS of EPS moeten vormen met de plaats van binding van lectine door het type galactose. Volgens enkele voorlopige gegevens zijn twee stammen van knobbelbacteriën die EPS van het rhamnose-type vormen ook in staat om kleine hoeveelheden galactosebevattend CPS/EPS (Mort, niet-gepubliceerde gegevens) te synthetiseren.

Het vermogen van R. japonicum-cellen om te binden aan slaap is strikt afhankelijk van de aanwezigheid van kapselmateriaal op de bacteriën. De vorming van knobbeltjes hangt hier echter niet van af. Mutanten van R. japonicum, die in geen enkele groeifase merkbare capsules vormden, zowel op laboratoriumvoedingsmedia als bij kweek met de gastheerwortels, vormden niettemin vrij gemakkelijk knobbeltjes op de wortels van de slaap. Een belangrijke determinant van het vermogen om knobbeltjes te vormen is het vermogen om voldoende hoeveelheden galactosebevattend polysacharide te synthetiseren. Er is een lineair verband tussen de hoeveelheid EPS gevormd door verschillende mutanten van rhizobia en hun relatieve vermogen om knobbeltjes te vormen. Met het verschijnen van een bepaalde hoeveelheid galactosebevattend polysacharide, maakt het niet uit of het is geassocieerd met bacteriële cellen of zich in een vrije staat bevindt.

Rijst. 3. De structuur van het herhalende monomeer in het tetrasacharide, dat deel uitmaakt van de EPS van de Rhizobium japonicum 61A76-stam; aanduidingen zijn dezelfde als in figuur 2 (Rha - raffinose).

1. De relatie tussen de synthese van EPS en de vorming van knobbeltjes op sojabonen door verschillende mutanten van Rhizobium japonicum die geen normale capsules geven

Het idee dat gastheerlectines en Rhizobium-celoppervlakpolysachariden de enige determinanten zijn van specificiteit en herkenning in symbionteninteractie, kan als te vereenvoudigd worden beschouwd. Als Dazzo en Stacy et al. Aangezien gastheerlectines verantwoordelijk zijn voor de specifieke hechting van homologe knobbelbacteriën aan het gastheeroppervlak, benadrukken andere onderzoekers de inductie van specifieke gastheerreacties door de vorming van lectine-polysaccharidebindingen. Toch lijkt het waarschijnlijker dat deze interacties slechts een deel zijn van een complexe reeks signaal-respons-uitwisselingen tussen de twee symbionten. Volgens dit gezichtspunt bepaalt elk stadium in zo'n opeenvolgende keten op zijn eigen manier de algemene biologische specificiteit van symbiose. Geen van de fasen van het herkenningsproces kan worden uitgesloten, alleen omdat het niet de eerste of de meest selectieve is, en tegelijkertijd kan niet worden aangenomen dat de eerste of meest selectieve fase de specificiteit van de symbiotische relatie volledig zal bepalen.

Vroege processen bij infecties veroorzaakt door RHIZOBIUM

Er is verrassend weinig bekend over het ontstaan ​​of de vroege ontwikkeling van infecties veroorzaakt door knobbelbacteriën in hun symbionten, hoewel recent werk waardevolle informatie over deze problemen biedt. Zoals eerder aangetoond, is de eerste externe manifestatie van een infectieus proces de hechting van bacteriën aan het oppervlak van de wortels van de gastheer. Rhizobium-cellen hebben de neiging om polair te hechten. Volgens Daz-zo wordt een dergelijke aanhechting bepaald door het gastheerlectine en is het specifiek voor het klaver/R, trifolii-systeem. Stacy et al. gaf vergelijkbare gegevens voor R. japonicum op sojabonen. We hebben echter ontdekt dat zowel R. trifolii als R. japonicum zich polair kunnen hechten aan sojawortels, met vrij vergelijkbare aantallen en dichtheden (Tergen en Bauer, niet-gepubliceerde gegevens). De aard van aanhechting van beide soorten verschilde praktisch niet onder de omstandigheden van onze experimenten. Ongeacht of de hechting specifiek of niet-specifiek is, en soms intermediair, moet worden toegegeven dat tot nu toe niets bekend is over de cellulaire en moleculaire componenten die hechting bepalen, of over de werkingsmechanismen van deze componenten.

De tweede manifestatie van het infectieuze proces is de inductie van het draaien van de wortelharen. De functie van dit fenomeen is blijkbaar het knijpen van Rhizobium-cellen in de ruimte tussen de twee oppervlakken van de celwanden van het gebogen wortelhaar. Tot nu toe is niemand erin geslaagd stoffen te identificeren die verdraaiing of vertakking van wortelharen veroorzaken, en de mechanismen waardoor verdraaiing optreedt, zijn niet onderzocht.

De derde manifestatie van het infectieuze proces is de vorming van een infectieuze draad. Het recente onderzoek van Callaham heeft zeer belangrijke gegevens over dit proces. Hij suggereerde drie mogelijke modellen penetratie van Rhizobium in de gastheercel:

Lokale invaginatie van de celwand van het wortelhaar;

Lokale vernietiging van de haarcelwand met behulp van geïnduceerde enzymen van de gastheer zelf en de synthese van een infectieuze draad;

Lokale vernietiging van de celwand van het wortelhaar door Rhizobium-enzymen en de synthese van een infectieuze draad.

De resultaten van Callaham's studies toonden overtuigend aan dat het proces van klaverinfectie met R. trifolii lokale vernietiging van de celwanden van wortelharen in de buurt van de gevangen bacteriën omvat, geassocieerd met de lokale afzetting van een nieuwe laag niet-geïdentificeerd materiaal waaruit de infectieuze draad is gevormd. Deze afzetting lijkt sterk op de vorming van een omhulsel (omhulsel) rond pathogene schimmels die hyfen infecteren. De cytologische studies van Callaham maakten het mogelijk om de hypothese van invaginatie van de celwand van het wortelhaar uit te sluiten, maar gaven geen oplossing voor de vraag welke enzymen lokale vernietiging van de celwanden veroorzaken - door de enzymen van de gastheer of de bacteriën ? Sommige berichten ondersteunen beide, maar geven geen definitief antwoord.

Veel vragen over de verdere stadia van het infectieuze proces zijn nog niet opgelost. Hoe kan een infectieuze draad bijvoorbeeld een gastheercel binnendringen tegen zijn turgordruk in? Waarom (en hoe) volgt de punt van de groeiende infectiedraad de beweging van de kern in de wortelhaarcel? Hoe dringt een infectieuze draad door aangrenzende corticale cellen? Hoe wordt de deling van corticale cellen gestimuleerd tijdens de ontwikkeling van een infectieus proces veroorzaakt door draadpenetratie? Hoe kunnen knobbelbacteriën de normale afweer van waardplanten vermijden of onderdrukken?

Helaas verhinderen ernstige methodologische problemen een gedetailleerde studie van de eerdere stadia van het infectieuze proces. Er ontstaan ​​​​moeilijkheden vanwege het feit dat ongeveer 100 duizend bacteriecellen en ongeveer 10 duizend wortelharen meestal betrokken zijn bij het inentingsproces, maar het infectieuze proces wordt in niet meer dan 100 gevallen gestart en slechts ongeveer 10 gevallen van infectie eindigen met de vorming van knobbeltjes. Daarom is het moeilijk om de mechanismen of onbekende stadia van het infectieuze proces te beschouwen in 10 succesvolle of in totaal 100 gevallen van wortelhaarinfectie tegen de achtergrond van 10.000 of zelfs meer onsuccesvolle of niet-reagerende interacties tussen de gastheer en Rhizobium.

Rijst. 4. Schematische weergave van de fasen van het infectieproces veroorzaakt door knobbelbacteriën. Knobbelbacteriën, ingesloten in de ruimte tussen de twee oppervlakken van het gebogen wortelhaar, vernietigen de gastheercelwand (a), veroorzaken de synthese van een nieuwe laag materiaal uit het cytoplasma van de gastheercelwand (b) en dringen door de gedeeltelijk vernietigde celwand van het wortelhaar in de infectieuze draad gevormd uit nieuw afgezette laag (c).

Lokalisatie van geïnfecteerde cellen op de wortels van de waardplant

Om de studie van de biochemische mechanismen van herkenning en infectie te vergemakkelijken, hebben we onlangs besloten om te bepalen welke gastheerwortelcellen vatbaar zijn voor infectie. Plantenzaailingen werden gekweekt in plastic zakken, wat visuele observatie van zich ontwikkelende wortels mogelijk maakte. De positie van de wortelpunten (CC) en de zone van vorming van wortelharen werden genoteerd op het plastic op het moment van het inbrengen van het inoculum. Een week na inoculatie werd de positie van elke knobbel bepaald, rekening houdend met de aangebrachte merktekens. Rekening houdend met de beweging van epidermale cellen tijdens wortelgroei, kan de positie en ontwikkelingsfase worden berekend van die wortelcellen die vatbaar waren voor infectie op het moment van inoculatie met wortelknobbelbacteriën. De grafieken (Fig. 5. 5) laten duidelijk zien dat knobbeltjes het vaakst werden gevormd op die wortelgebieden die zich direct onder de zone van wortelharen en boven de zone van snelle expansie bevonden. Er werden relatief weinig knobbeltjes gevormd in de zone van zich ontwikkelende wortelharen, en in de wortelgebieden die op het moment van inoculatie met rijpe haren bedekt waren, waren ze helemaal afwezig. Het vermogen om knobbeltjes te vormen wordt dus beperkt door bepaalde fasen van wortelontwikkeling en de korte duur van het bestaan ​​van doelwitcellen die vatbaar zijn voor bacteriën. Experimenten met latere inoculatie van slaap toonden aan dat het hele wortelgebied boven de punt merkbaar zijn gevoeligheid verliest na 4-6 uur. Bij andere peulvruchtensoorten is het vermogen om knobbeltjes te vormen ook van korte duur en beperkt tot bepaalde ontwikkelingsfasen.

Deze gegevens zijn ongetwijfeld van theoretisch en praktisch belang. Druppels van een entsuspensie met een volume van nanoliter die slechts enkele cellen van knobbelbacteriën bevatten, kunnen bijvoorbeeld rechtstreeks worden aangebracht op de plaats van de grootste gevoeligheid van de wortel, en de ontwikkeling van Rhizobium zal precies op het punt van enting plaatsvinden. Deze methode stelde ons in staat om een ​​elektronenmicroscoop te gebruiken om de vroegste processen te bestuderen die plaatsvinden zelfs vóór de vorming van een infectiedraad, het draaien van wortelharen of andere indicatoren van het begin van een infectie, zichtbaar in een lichtmicroscoop. Dergelijke studies kunnen alleen worden uitgevoerd met voldoende zekerheid dat de wortelharen die worden genomen voor het maken van ultradunne coupes hiervoor geschikt zijn en geïnfecteerd zullen zijn met knobbelbacteriën.

Rijst. 5. Frequentie van knobbelvorming in verschillende zones van sojawortels die zijn geïnoculeerd met R. japonicum stam 110. Planten werden gekweekt in plastic zakken, op het oppervlak waarvan markeringen waren gemaakt die de positie van de wortelkoichik (RT) en de plaats van de minste ontwikkeling van wortelharen (SERH) aantoonden. De wortels van ongeveer 120 planten werden één week na inoculatie onderzocht, waarbij de relatieve (%) afstand van elke op de primaire wortel gevormde knobbel tot RT werd bepaald. Om de relatieve positie van niet-geïnfecteerde boreale cellen tijdens inoculatie gemakkelijker te bepalen, werd de beweging van epidermale cellen ten opzichte van RT berekend.

Stoffen die de intensiteit van de initiële infectieprocessen beïnvloeden

Een even interessant aspect van studies naar de ontwikkelingssnelheid van de gevoeligheid van vlinderbloemige planten voor knobbelbacteriën is dat het nu mogelijk is om de factoren te bestuderen die van invloed zijn op de snelheid van het begin van een succesvolle infectie. Het aantal knobbeltjes dat zich boven de wortelpunt (RT) boven de markering op het plastic ontwikkelt, dient als een uitstekende kwantitatieve parameter voor de ontwikkeling van infectie. Zo ontdekte Bhagwat (persoonlijke communicatie) onlangs dat nodulatie door een of andere rhizobia op de wortels van een cowpea direct onder de tag optreedt als de bacteriën vóór inoculatie in het medium samen met de wortels van de gastheer werden gekweekt. Deze resultaten suggereren dat Rhizobium zich op de een of andere manier kan aanpassen aan of reageren op stoffen die worden uitgescheiden door de gastheerwortel voordat ze in staat zijn tot infectie.

Bij sojabonen is het tegenovergestelde waar te nemen. De vorming van knobbeltjes op sojabonenwortels boven de RT-markering hangt weinig af van de voorlopige teelt van R. japonicum in de wortelexudaten van de gastheer. De vorming van knobbeltjes met een maximale frequentie vindt echter plaats onder de ontwikkelingszone van wortelharen, hoewel zelfs cytologische studies hebben aangetoond dat de infectie die leidt tot de vorming van knobbeltjes plaatsvindt door korte wortelharen die zich net beginnen te ontwikkelen. De verschillen tussen de lokalisatie van de verwachte en werkelijke zones van maximale knobbelvorming leidden ons tot de conclusie dat er een bepaalde vertragingsperiode is tussen het tijdstip van de eerste interactie van wortelcellen met bacteriën en het tijdstip van het begin van een succesvol infectieus proces in hen. Uiteraard kan deze lag-periode worden verkort door de wortels voor te behandelen met het cellulaire polysacharide van knobbelbacteriën. N-acetylgalactose, een mogelijk polysacharidehapteen van lectineslaap, is in dit opzicht ook effectief. Dergelijke experimenten zijn moeilijk nauwkeurig te reproduceren, maar we hebben manieren kunnen vinden om de meeste veranderende statistieken te controleren.

De relatieve afstand tussen de knobbeltjes en het merkteken aan de wortelpunt (RT)

Afb. 6. Effect van cowpea-exsudaten op de ontwikkeling van knobbelbacteriën:

1 bacterie op wortelexsudaten; 2 - bacteriën op een synthetische voedingsbodem.

Rijst. 7. Invloed van het celvrije filtraat van Rhizobium tri-folii op de vorming van knobbeltjes in de zone van volwassen wortelharen in klaver. Klaverwortels werden voorbehandeld met 100 μL water (4) of kweekfiltraat gedurende 6, 14 en 24 uur (respectievelijk 1, 2, 3 in de grafiek) voordat het inoculum werd geïntroduceerd. Aantal knobbeltjes. gevormd in de zone van wortels met rijpe wortelharen op het moment van inoculatie, werden dagelijks gedurende een week bepaald.

Een soortgelijk fenomeen werd opgemerkt in de wortels van klaver. Als de R. trifolii-cultuur wordt gewassen, gedurende een uur opnieuw wordt gesuspendeerd in gedestilleerd water en vervolgens wordt gefiltreerd, vermindert het celvrije filtraat de tijd die nodig is voor nodulatie in de zone van volwassen wortelharen aanzienlijk wanneer de wortels vóór de inoculatie met dit filtraat worden behandeld . Het is interessant om op te merken dat dezelfde behandeling van klaverwortels de tijd van knobbelvorming in de zone zonder wortelharen niet merkbaar beïnvloedde.

Het filtraat werkt alleen op de vorming van knobbeltjes in de zone van volwassen wortelharen, blijkbaar van invloed op het tweede type infectie, kenmerkend voor klaver, maar wordt niet opgemerkt in sojabonen, koeerwten of alfalfa.

De actieve verbindingen die aanwezig zijn in de filtraten van R. trifolii-suspensies of in de wortelexudaten van koeerwten zijn nog niet geïdentificeerd. Desalniettemin bevestigt de ontdekking van hun werking het standpunt dat de wederzijdse herkenning van knobbelbacteriën en hun gastheren een complex is van reacties die plaatsvinden tussen symbionten volgens het signaal-responstype.

Infectieuze capaciteit van RHIZOBIUM-cellen

Alleen bepaalde cellen van de wortels van peulvruchten zijn vatbaar voor infectie met rhizobia en de gevoeligheid hangt af van het tijdstip en de fase van de ontwikkeling van de plant. Hoe zit het met knobbelbacteriën? Is de besmettelijkheid van Rhizobium afhankelijk van tijd, ontwikkelingsfase of omgeving? Het effect van exsudaten van cowpeawortels op de vorming van knobbeltjes bij rhizobia suggereert dat ten minste sommige bacteriesoorten bepaalde veranderingen moeten ondergaan voordat ze een infectie kunnen veroorzaken. Natuurlijk kunnen Rhizobium-cellen zelfs in één kweek op veel manieren van elkaar verschillen. Ze kunnen bijvoorbeeld ander vermogen tot inkapseling, beweeglijkheid, fase van celcycli, aantal poollichamen. Het is mogelijk dat de besmettelijkheid afhangt van een of meer van deze specifieke kenmerken. Uit de bovenstaande gegevens volgt dat, in tegenstelling tot de synthese van EPS, inkapseling zelf blijkbaar niet geassocieerd is met besmettelijkheid. Volgens recente studies hangt de besmettelijkheid van knobbelbacteriën niet af van hun beweeglijkheid.

Dankzij het werk in ons laboratorium kon worden vastgesteld dat de besmettelijkheid van R. japonicum grotendeels afhangt van de ouderdom van de kweek. Culturen van stammen 110 en 138 van R. japonicum, die de stationaire groeifase hadden bereikt, verloren snel hun vermogen om knobbelvorming boven de RT-markering te induceren. Het is duidelijk dat bacteriën in deze fase minder klaar of in staat zijn om een ​​infectieus proces te veroorzaken tijdens de inoculatie dan cellen in de exponentiële fase. De basis voor deze verandering tegen het einde van de exponentiële fase is niet bekend. De studie van het effect van de dosis inoculum op het proces van knobbelvorming toonde aan dat kweken van stam 110 R. japonicum, die zich in de vroege of late fase van stationaire groei bevinden, de vorming van knobbeltjes even snel en intensief kunnen induceren als kweken in de fase van exponentiële groei is het voor inoculatie van planten echter meer inoculum van oudere culturen nodig.

Bijgevolg zijn verschillen in besmettelijkheid tussen culturen van bacteriën in de exponentiële of stationaire groeifase eerder kwantitatief dan kwalitatief. Culturen in de stationaire groeifase lijken proportioneel minder cellen te bevatten die snel een infectie kunnen veroorzaken.

Een ander aspect van de vorming van symbiotische associaties verdient aandacht. De grafieken van de frequenties van knobbelvorming tonen een verzwakking van de intensiteit van dit proces in de lagere delen van de wortels, die op het moment van inoculatie 5-10 uur jonger waren dan de gebieden met de maximale activiteit van nodulatie. Het is duidelijk dat sojabonen een snelwerkend regulerend mechanisme hebben dat dient om de ontwikkeling van een te groot aantal wortelknollen te voorkomen. De tweede mogelijke verklaring is dat de afname van het aantal knobbeltjes in de lagere delen van de wortels gepaard kan gaan met een afname van het aantal bacteriën dat door deze delen wordt veroorzaakt. Als dezelfde wortels echter 10-12 uur na de eerste toepassing van bacteriën opnieuw werden geïnoculeerd, traden er geen veranderingen in de vorming van knobbeltjes op, d.w.z. het was niet nodig om het aantal bacteriën te vergroten. Tegelijkertijd, als het primaire inoculum alleen werd aangebracht op: bovenste deel de wortel zonder wortelharen en naar de zone van jonge, zich ontwikkelende haren, waar de verlenging van de wortel volledig of grotendeels is voltooid, veroorzaakte de secundaire inoculatie de vorming van nieuwe knobbeltjes. Dit experiment toont aan dat het snelwerkende regulerende mechanisme in de plantenslaap bepaalde soorten interacties omvat tussen Rhizobium en die gastheercellen die zijn gelokaliseerd in de zone van snelle wortelverlenging nabij de punt.

De aanwezigheid van een snelwerkend regulerend mechanisme in sojabonen en mogelijk cowpea en luzerne zorgt voor een extra niveau van complexiteit en organisatie in de dynamische invloed van ontwikkelingsfasen en de omgeving op de vroege ontwikkeling en het succes van infecties met knobbelbacteriën.

Gebruikte literatuur: Infectieziekten bij planten: fysiologische en biochemische basen / Per. van Engels L.L. Velikanova, L.M. Levkina,
V.P. Prokhorov, I.I.Sidorova; Ed. en met een voorwoord.
Yu. T. Dyakova. - M.: VO Agropromizdat, 1985 .-- 367 d.

Samenvatting downloaden: U heeft geen toegang om bestanden van onze server te downloaden.

Knobbelbacteriën waren de eerste groep stikstofbindende microben in de tijd waarover de mensheid leerde.

Ongeveer 2000 jaar geleden merkten boeren dat de teelt van peulvruchten de vruchtbaarheid van uitgeputte grond herstelde. Deze speciale eigenschap van peulvruchten werd empirisch geassocieerd met de aanwezigheid van eigenaardige knobbeltjes of knobbeltjes op hun wortels, maar lange tijd konden ze de redenen voor dit fenomeen niet verklaren.

Er was veel onderzoek nodig om de rol te bewijzen van peulvruchten en bacteriën die op hun wortels leven bij het fixeren van stikstofgas in de atmosfeer. Maar geleidelijk, door het werk van wetenschappers uit verschillende landen, werd de natuur onthuld en werden de eigenschappen van deze prachtige wezens in detail bestudeerd.

Knobbelbacteriën leven in symbiose met peulvruchten, dat wil zeggen dat ze wederzijds voordeel voor elkaar hebben: bacteriën nemen stikstof op uit de atmosfeer en zetten dit om in verbindingen die door planten kunnen worden gebruikt, en zij leveren op hun beurt aan bacteriën stoffen die koolstof bevatten, welke wonden in de vorm van kooldioxide uit de lucht worden opgenomen.

Buiten knobbeltjes op kunstmatige voedingsmedia kunnen knobbelbacteriën zich ontwikkelen bij temperaturen van 0 tot 35 °, en de meest gunstige (optimale) temperaturen voor hen zijn in de orde van 20-31 °. De beste ontwikkeling van micro-organismen wordt meestal waargenomen in een neutrale omgeving (bij een pH van 6,5-7,2).

In de meeste gevallen heeft de zure reactie van de bodem een ​​nadelige invloed op de vitale activiteit van knobbelbacteriën; in dergelijke bodems worden inactieve of ineffectieve (geen stikstof fixerende) races gevormd.

De eerste onderzoekers van knobbelbacteriën gingen ervan uit dat deze microben zich kunnen nestelen op de wortels van de meeste soorten peulvruchten. Maar toen bleek dat ze een bepaalde specificiteit hebben, hun eigen "smaken" hebben en toekomstige "woningen" "huren" in strikte overeenstemming met hun behoeften. Een of ander ras van knobbelbacteriën kan een symbiose aangaan met peulvruchten van slechts een bepaalde soort.

Momenteel worden knobbelbacteriën onderverdeeld in de volgende groepen (volgens de waardplanten waarop ze leven):

• knobbelbacteriën van luzerne en zoete klaver;
• klaver wortel knobbel bacteriën;
• knobbelbacteriën van erwten, wikke, ranch en tuinbonen;
• sojaboonknobbelbacteriën;
• knobbelbacteriën van lupine en seradella;
• bonen knobbel bacteriën;
• knobbelbacteriën van pinda's, cowpea, cowpeas, enz.

Het moet gezegd dat de specificiteit van knobbelbacteriën in verschillende groepen niet hetzelfde is. Kritische huurders verliezen soms hun scrupules. Hoewel de klaverknobbelbacteriën heel specifiek zijn, kan hetzelfde niet gezegd worden over de erwtenknobbelbacteriën.

Het vermogen om knobbeltjes te vormen is niet kenmerkend voor alle peulvruchten, hoewel het over het algemeen wijdverbreid is onder vertegenwoordigers van deze enorme familie. Van de 12 duizend soorten peulvruchten werden er 1063 speciaal bestudeerd. Het bleek dat 133 van hen geen knobbeltjes konden vormen.

Het vermogen tot symbiose met stikstofbinders is blijkbaar niet alleen inherent aan peulvruchten, hoewel ze in de landbouw de enige belangrijke stikstofbindende gewassen zijn. Er is vastgesteld dat atmosferische stikstof wordt gebonden door bacteriën die leven in de knobbeltjes op de wortels van oleagus, duindoorn, herderachtigen, stralende den, zaadlob, egel, subtropische planten van het geslacht casuarina. In staat om stikstof en bacteriën te fixeren die in de knopen van de bladeren van sommige tropische struiken leven.

Stikstoffixatie wordt ook uitgevoerd door actinomyceten die in de wortelknollen van els leven, en mogelijk schimmels die in de wortels van raaigras en sommige heideplanten leven.

Maar voor de landbouw zijn peulvruchten natuurlijk van het grootste praktische belang. De meeste van de bekende niet-peulvruchten hebben geen agrarische betekenis.

Een heel belangrijke vraag voor de praktijk is: hoe leven knobbelbacteriën in de bodem voordat ze besmet raken met de wortels?

Het blijkt dat knobbelbacteriën heel lang in de bodem kunnen blijven bestaan ​​​​bij afwezigheid van "gastheren" - peulvruchten. Laten we een voorbeeld geven. De Moscow Agricultural Academy, vernoemd naar K.A. Timiryazev, heeft velden aangelegd door D.N. Pryanishnikov. Van jaar tot jaar worden er dezelfde gewassen op verbouwd en blijven er permanente braakleggingen, waarop al bijna 50 jaar geen planten meer groeien. Analyse van de bodem van deze braak en het veld met permanente rogge toonde aan dat er in aanzienlijke hoeveelheden knobbelbacteriën worden aangetroffen. Er zijn er meerdere meer onder permanent rogge dan in een paar.

Bijgevolg overleven knobbelbacteriën relatief goed de afwezigheid van vlinderbloemige planten en kunnen ze heel lang wachten om ze te ontmoeten. Maar onder deze omstandigheden verliezen ze hun opmerkelijke vermogen om de bunker te repareren. Bacteriën met "plezier" stoppen echter met hun "vrije levensstijl", zodra er een geschikte vlinderbloemige plant op hun pad komt, dringen ze onmiddellijk de wortels binnen en creëren hun eigen knobbelhuisjes.

Drie factoren zijn betrokken bij het complexe proces van nodulatievorming: twee levende organismen - bacteriën en planten, waartussen een nauwe symbiotische relatie tot stand wordt gebracht, en omstandigheden externe omgeving... Elk van deze factoren is een actieve deelnemer in het proces van de vorming van knobbeltjes.

Een van de belangrijke kenmerken van knobbelbacteriën is hun vermogen om zogenaamde stimulerende middelen af ​​te scheiden; deze stoffen zorgen voor een snelle groei van wortelweefsels.

Een ander essentieel kenmerk van hen is het vermogen om de wortels van bepaalde planten binnen te dringen en de vorming van knobbeltjes te veroorzaken, met andere woorden hun besmettelijke vermogen, dat, zoals eerder vermeld, verschilt in verschillende rassen knobbel bacteriën.

De rol van een peulvruchtplant bij de vorming van knobbeltjes wordt bepaald door het vermogen van planten om stoffen af ​​te scheiden die de ontwikkeling van bacteriën stimuleren of remmen.

Het gehalte aan koolhydraten en stikstofhoudende stoffen in zijn weefsels heeft een grote invloed op de gevoeligheid van een peulvruchtplant voor infectie met knobbelbacteriën. De overvloed aan koolhydraten in de weefsels van een peulvruchtplant stimuleert de vorming van knobbeltjes, terwijl een verhoging van het stikstofgehalte juist dit proces remt. Dus hoe hoger de C / N-verhouding in de plant, hoe beter de knobbelontwikkeling is.

Het is interessant dat de stikstof in de weefsels van de plant als het ware interfereert met de introductie van stikstof-"alien".

De derde factor - externe omstandigheden (verlichting, batterijen, enz.) heeft ook: significante invloed op het knobbelvormingsproces.

Maar laten we terugkeren naar de karakterisering van bepaalde soorten knobbelbacteriën.

Het besmettelijke vermogen, of het vermogen om knobbeltjes te vormen, geeft niet altijd aan hoe actief knobbelbacteriën stikstof uit de lucht fixeren. De "efficiëntie" van knobbelbacteriën bij het binden van stikstof wordt vaak hun efficiëntie genoemd. Hoe hoger de efficiëntie, hoe groter de efficiëntie van deze bacteriën, hoe waardevoller ze zijn voor de plant en dus voor de landbouw in het algemeen.

In de bodem worden rassen van wortelknobbelbacteriën gevonden die effectief, ineffectief en overgangsvormen tussen deze twee groepen zijn. Infectie van vlinderbloemigen met een effectief ras van knobbelbacteriën bevordert actieve stikstofbinding. Een ineffectieve race veroorzaakt de vorming van knobbeltjes, maar stikstoffixatie vindt er niet plaats, daarom wordt het verspild bouwmateriaal, de plant voedt "gratis" zijn "gasten".

Zijn er verschillen tussen effectieve en ineffectieve rassen van knobbelbacteriën? Tot nu toe zijn dergelijke verschillen in vorm of gedrag op kunstmatige voedingsmedia niet gevonden. Maar knobbeltjes gevormd door efficiënte en ineffectieve races vertonen enkele verschillen. Er is bijvoorbeeld een mening dat efficiëntie wordt geassocieerd met het volume van wortelweefsels dat is geïnfecteerd met bacteriën (in effectieve races is dit 4-6 keer meer dan in niet-effectieve) en de duur van het functioneren van deze weefsels. In weefsels die zijn geïnfecteerd met effectieve bacteriën, worden altijd bacteroïden en een rood pigment gevonden, dat volledig identiek is aan bloedhemoglobine. Het wordt leghemoglobine genoemd. Ineffectieve knobbeltjes hebben een kleiner volume geïnfecteerd weefsel, ze missen leghemoglobine, bacteroïden worden niet altijd gedetecteerd en ze zien er anders uit dan in effectieve knobbeltjes.

Deze morfologische en biochemische verschillen worden gebruikt om effectieve rassen van knobbelbacteriën te isoleren. Gewoonlijk zijn bacteriën die worden geïsoleerd uit grote, goed ontwikkelde knobbeltjes die roze van kleur zijn, zeer effectief.

Hierboven is al gezegd dat het "werk" van knobbelbacteriën en hun "efficiëntie" afhankelijk is van een aantal externe omstandigheden: temperatuur, zuurgraad van het medium (pH), verlichting, zuurstofvoorziening, gehalte in de bodem voedingsstoffen enzovoort.

De invloed van externe omstandigheden op de fixatie van atmosferische stikstof door knobbelbacteriën kan aan de hand van verschillende voorbeelden worden aangetoond. Zo speelt het gehalte aan salpeterzuur en ammoniumzouten in de bodem een ​​belangrijke rol bij de efficiëntie van de stikstofbinding. In de beginfase van de ontwikkeling van een peulvruchtplant en de vorming van knobbeltjes heeft de aanwezigheid van kleine hoeveelheden van deze zouten in de bodem een ​​gunstig effect op de symbiotische gemeenschap; en later remt dezelfde hoeveelheid stikstof (vooral de nitraatvorm) de stikstofbinding.

Dus hoe rijker de bodem aan stikstof beschikbaar is voor de plant, hoe zwakker de stikstofbinding verloopt. De stikstof in de bodem, evenals in het lichaam van de plant, verhindert als het ware het aantrekken van nieuwe delen ervan uit de atmosfeer. Molybdeen heeft onder andere een merkbaar effect op de stikstofbinding. Wanneer dit element aan de bodem wordt toegevoegd, accumuleert stikstof meer. Dit wordt blijkbaar verklaard door het feit dat molybdeen deel uitmaakt van de enzymen die atmosferische stikstof fixeren.

Op dit moment is betrouwbaar vastgesteld dat peulvruchten die gekweekt worden op gronden met onvoldoende molybdeen zich goed ontwikkelen en knobbeltjes vormen, maar helemaal geen stikstof uit de lucht opnemen. De optimale hoeveelheid molybdeen voor een effectieve stikstofbinding is ongeveer 100 g natriummolybdaat per hectare.

De rol van peulvruchten bij het verhogen van de bodemvruchtbaarheid

Peulvruchten zijn dus erg belangrijk voor het verhogen van de bodemvruchtbaarheid. Door stikstof in de bodem op te hopen, voorkomen ze dat de reserves worden uitgeput. De rol van peulvruchten is vooral groot wanneer ze worden gebruikt voor groenbemesting.

Maar landbouwers zijn natuurlijk ook geïnteresseerd in het kwantitatieve aspect. Hoeveel stikstof kan zich bij de teelt van bepaalde peulvruchten in de bodem ophopen? Hoeveel stikstof zit er nog in de bodem als het gewas volledig van het veld wordt geoogst of als peulvruchten als groenbemester worden omgeploegd?

Het is bekend dat bij besmetting van peulvruchten met effectieve rassen van knobbelbacteriën, ze 50 tot 200 kg stikstof per hectare zaaien kunnen binden (afhankelijk van bodem, klimaat, plantensoort, enz.).

Volgens de beroemde Franse wetenschappers Poschon en De Berjac, in gewone veldomstandigheden peulvruchten registreren ongeveer de volgende hoeveelheden stikstof (in kg/ha):

Wortelresten van eenjarige en meerjarige peulvruchten in verschillende gewasomstandigheden en op verschillende bodems bevatten verschillende hoeveelheden stikstof. Gemiddeld laat luzerne jaarlijks zo'n 100 kg stikstof per hectare in de bodem achter. Klaver en lupine kunnen ongeveer 80 kg gebonden stikstof in de bodem ophopen, eenjarige peulvruchten laten tot 10-20 kg stikstof per hectare in de bodem achter. Rekening houdend met het gebied bezet door peulvruchten in de USSR, berekende de Sovjet-microbioloog E.N. Mishustin dat ze jaarlijks ongeveer 3,5 miljoen ton stikstof teruggeven aan de velden van ons land. Ter vergelijking wijzen we erop dat onze hele industrie in 1961 0,8 miljoen ton stikstofmeststoffen produceerde en in 1965 2,1 miljoen ton zal opleveren.Zo neemt stikstof uit de lucht door peulvruchten in symbiose met bacteriën een leidende plaats in stikstofbalans van de landbouw in ons land.

Knobbelbacteriën zijn specifiek - bepaalde types of hun rassen kunnen knobbeltjes vormen op de wortels van alleen bepaalde peulvruchten. Sommige ontwikkelen zich dus alleen op de wortels van klaver, maar kunnen de wortels van erwten, luzerne, lupine en andere peulvruchten niet infecteren. De groepen bacteriën die knobbeltjes vormen op de wortels van lupine en seradella, infecteren niet de wortels van klaver en erwten, enz. Soms komt de specificiteit van knobbelbacteriën zo sterk tot uiting dat verschillende soorten een maar D? en dezelfde cultuur (of zelfs plantenvariëteiten) hebben verschillende houdingen ten opzichte van deze of gene bacteriestam. Zo zijn de wortels van de gele voederlupine niet altijd goed besmet met knobbelbacteriën uit de wortels van eenjarige bittere lupinen. De groepen knobbelbacteriën volgens hun specificiteit zijn aangegeven op pagina 382. [...]

Knobbelbacteriën ontwikkelen zich het meest intensief wanneer de reactie van de bodem nagenoeg neutraal is. Daarom is bij het zaaien van peulvruchten op zure grond, samen met het inenten van zaden, het bekalken van de grond noodzakelijk. Inoculatie zonder kalk heeft zeer weinig effect op opbrengst en eiwitgehalte. Volgens K. Fillers was het eiwitgehalte in de zaden bij het kweken van sojabonen op zure grond zonder inoculatie en zonder toevoeging van kalk 32,8%, tijdens inoculatie nam het eiwitgehalte toe met 1,2% en bij neutralisatie van de zuurgraad van de grond en inoculatie , nam het eiwitgehalte in de zaden toe met 11,2%. [...]

Knobbelbacteriën van verschillende vlinderbloemigen sterven af ​​in zure gronden.

Knobbelbacteriën hebben voldoende koolhydraten, fosfor en calcium nodig. V afgelopen jaren bleek dat een aantal sporenelementen (vooral molybdeen) een belangrijke rol spelen bij de vitale activiteit van knobbelbacteriën. Bekalking en toepassing van molybdeen voor peulvruchten op zure bodems reguleren de reactie van de bodem; op alle bodems is een adequate aanvoer van peulvruchten met fosfor nodig. [...]

Prokaryoten (bacteriën, archaebacteriën, cyanobacteriën) - eencellige organismen heb geen kern. Door zo'n divers metabolisme kunnen bacteriën in een grote verscheidenheid aan omgevingsomstandigheden voorkomen: in water, lucht, bodem, levende organismen. De rol van bacteriën bij de vorming van olie, kolen, turf, aardgas, bij bodemvorming, in de kringlopen van stikstof, fosfor, zwavel en andere elementen in de natuur is groot. Saprotrofe bacteriën zijn betrokken bij de afbraak van organische resten van planten en dieren en bij hun mineralisatie tot CO2, H20, H28, 1CHH3 en andere anorganische stoffen. Samen met paddenstoelen zijn het ontbinders. Knobbelbacteriën (stikstoffixatie) vormen een symbiose met peulvruchten en zijn betrokken bij het fixeren van stikstof uit de lucht in minerale verbindingen die beschikbaar zijn voor planten. Planten zelf hebben dit vermogen niet. [...]

Bij afwezigheid van knobbelbacteriën op de wortels van peulvruchten worden ze dezelfde verbruikers van stikstof uit de bodem, net als andere planten.

Een belangrijke eigenschap van knobbelbacteriën is hun activiteit (efficiëntie), d.w.z. het vermogen om, in symbiose met peulvruchten, moleculaire stikstof op te nemen en te voldoen aan de behoeften van de waardplant. Afhankelijk van de mate waarin knobbelbacteriën bijdragen aan een verhoging van de opbrengst van peulvruchten (Fig. 146) worden ze meestal onderverdeeld in actief (effectief), inactief (ineffectief) en inactief (ineffectief).

Onder de stikstofbindende bacteriën worden vrijlevend in de bodem en knobbeltjes, die leven op de wortels van vlinderbloemige planten, onderscheiden (Fig. 9, h). De belangrijkste vertegenwoordigers van vrije mes-stikstofbindende bacteriën zijn Azotobacter en Clostridium, die enkele tientallen kilo's stikstof per hectare grond per jaar binden. De activiteit van knobbelbacteriën die de cellen van de wortels van peulvruchten infecteren, is veel efficiënter. Als gevolg hiervan vindt de microbiologische accumulatie van stikstof die beschikbaar is voor planten plaats onder de peulvruchten. Onder een oppervlakte van 1 hectare beplant met klaver kan door de werking van deze bacteriën 100 keer meer stikstof worden opgehoopt dan vrijlevende fixeermiddelen van dit element. [...]

Omdat de reproductie van knobbelbacteriën niet plaatsvindt bij afwezigheid van vocht, moeten bij een droog voorjaar geënte (kunstmatig geïnfecteerde) zaden dieper in de grond worden aangebracht. In Australië bijvoorbeeld, worden zaden met knobbelbacteriën diep in de grond ingebed. Interessant is dat knobbelbacteriën in bodems in droge klimaten droogte hardnekkiger verdragen dan bacteriën in bodems in vochtige klimaten. Dit toont hun ecologische aanpassingsvermogen. [...]

Naast specificiteit verschillen de rassen van knobbelbacteriën in virulentie en activiteit. Virulentie is hun vermogen om door wortelharen in de wortel van een peulvruchtplant te dringen en knobbeltjes te vormen. De activiteit van knobbelbacteriën wordt hun vermogen om atmosferische stikstof te assimileren genoemd. Alleen actieve stammen van deze bacteriën voorzien vlinderbloemigen van stikstof. Wanneer de wortels zijn geïnfecteerd met virulente maar inactieve knobbelbacteriën, worden knobbeltjes gevormd, maar stikstoffixatie vindt niet plaats. De knobbelbacteriën die worden gebruikt voor de bereiding van nitragine moeten zeer virulent en zeer actief zijn. Als de virulentie van nitragineknobbelbacteriën hoger is dan de virulentie van minder actieve bacteriën die zich al in de bodem bevinden, kunnen nitragineknobbelbacteriën hierdoor sneller en in grote hoeveelheden in de wortel doordringen. [...]

Van al deze voorbeelden is de symbiose "van knobbelbacteriën met peulvruchten het meest grondig bestudeerd, aangezien deze planten van groot belang zijn voor de mens. [...]

De reactie van de bodem heeft een grote invloed op de vitale activiteit van knobbelbacteriën en de vorming van knobbeltjes. Voor verschillende soorten en zelfs stammen van knobbelbacteriën is de pH-waarde van het leefgebied enigszins anders. Klaverwortelknobbelbacteriën zijn bijvoorbeeld beter bestand tegen lage pH-waarden dan alfalfawortelknobbelbacteriën. Uiteraard wordt hier ook de aanpassing van micro-organismen aan de omgeving beïnvloed. Klaver groeit op zuurdere gronden dan luzerne. De reactie van de bodem als ecologische factor beïnvloedt de activiteit en virulentie van knobbelbacteriën. De meest actieve stammen zijn over het algemeen gemakkelijker te isoleren uit pH-neutrale bodems. In zure bodems komen inactieve en zwak virulente stammen vaker voor. De zure omgeving (pH 4,0-4,5) heeft een direct effect op planten, met name het verstoren van de synthetische processen van het plantenmetabolisme en de normale ontwikkeling van wortelharen.

Er is een groot aantal soorten en rassen van knobbelbacteriën, die zich elk hebben aangepast om een ​​of meer soorten peulvruchten te infecteren. Het wortelstelsel van vlinderbloemigen heeft specifieke wortelafscheidingen. Hierdoor hopen de wortelknobbelbacteriën zich op rond de wortelharen, die wanneer het atoom wordt verwijderd. Via de wortelharen dringen bacteriën in de vorm van een doorlopend koord, bestaande uit talloze bacteriën verbonden door slijm, door in het wortelparenchym. Misschien scheiden de bacteriën het hormoon auxine af in het atoom dat de oorzaak is van weefselovergroei, zwelling - er worden knobbeltjes gevormd. De cellen van de knobbeltjes zijn gevuld met snel vermenigvuldigende bacteriën, maar ze blijven in leven en behouden hun grote kernen. Knobbelbacteriën infecteren alleen polyploïde wortelcellen. [...]

Luzerne is als vlinderbloemige plant in staat om met behulp van wortelknobbelbacteriën een grote hoeveelheid stikstof in de bodem op te hopen, wat in dit opzicht niet onderdoet voor klaver. Het wortelstelsel ontwikkelt zich beter in het 1e jaar van gebruik en tegen het 3e jaar accumuleert het stikstof in de bodem 120 ... 200 kg / ha. Door de bodemvruchtbaarheid te verhogen en de structuur ervan te verbeteren, is luzerne een goede voorloper in vruchtwisseling. [...]

Bij het kweken van lupines wordt nitragine gebruikt om de activiteit van lupineknobbelbacteriën te verhogen, boor- en molybdeen-micronutriëntenmeststoffen zijn ook nuttig (zaden worden gelijktijdig met hun nitraginisatie behandeld met een oplossing van ammoniummolybdaat). [...]

Anaërobe afbraak van cellulose wordt alleen uitgevoerd door bacteriën (bijvoorbeeld de bacil van Omelyansky) en aëroob - door vele soorten bacteriën, schimmels, actinomyceten.

Dit geeft aan dat de gefixeerde gelabelde stikstof de bacterielichamen binnenkomt vanuit de weefsels van de hogere plant, die de bron is van stikstofvoeding voor de bacteriën. De fixatie van atmosferische stikstof is dus niet gelokaliseerd in het lichaam van knobbelbacteriën, maar in het knobbelweefsel van een hogere plant. Een belangrijke rol van knobbelbacteriën is dat ze de vorming van dit specifieke knobbelweefsel induceren. Verdere studies toonden aan dat het maximale gehalte aan gelabelde stikstof in individuele stikstoffracties van het celsap van knobbeltjes altijd op de amidegroep van asparagine en glutamine valt. Aangezien deze groep kan worden beschouwd als getransformeerde ammoniak, is ammoniak het anorganische eindproduct van biologische stikstofbinding.

In de biosfeer wordt stikstoffixatie uitgevoerd door verschillende groepen anaërobe bacteriën en cyanobacteriën bij normale temperatuur en druk, vanwege de hoge efficiëntie van biokatalyse. Er wordt aangenomen dat bacteriën ongeveer 1 miljard ton stikstof per jaar omzetten in een gebonden vorm (het wereldvolume van industriële fixatie is ongeveer 100 miljoen ton). In knobbelbacteriën van vlinderbloemige planten wordt stikstoffixatie uitgevoerd met behulp van een complex enzymcomplex, beschermd tegen overtollig zuurstof door een speciale hemoglobine van planten.

[...]

De waarde van het nieuwe preparaat van nitragine ligt in de duur van het behoud van de levensvatbaarheid van knobbelbacteriën en de mogelijkheid van vroege bereiding van preparaten door een gemechaniseerde methode. In termen van efficiëntie ligt droge nitragine dicht bij bodemniragine. Het kan worden gebruikt in de vorm van stof, waarbij de zaden worden afgestoft zonder ze te weken. [...]

De rol van symbiotische (van het Griekse symbiose - samenwonen) knobbelbacteriën gelokaliseerd op de wortels van planten, voornamelijk van de vlinderbloemigenfamilie, is vooral belangrijk in de stikstofcyclus. Bacteriën van de geslachten Azotobacter of Rhizobium zijn in staat stikstof uit de lucht te binden door enzymatische splitsing van N3-moleculen en beschikbaar te maken voor wortelstelsels van planten.

Biologische fixatie van moleculaire stikstof in de atmosfeer in de bodem wordt uitgevoerd door twee groepen bacteriën: aërobe en anaërobe en knobbelbacteriën die in symbiose leven met peulvruchten. De belangrijkste vertegenwoordiger van de eerste groep aeroben is Azotobacter, en van de anaërobe, Clostridium pasteurianum. Een gunstige omgeving voor de krachtige activiteit van knobbelbacteriën is goed beluchte bodems met een zwak zure en neutrale reactie. De activiteit van stikstofbindende bacteriën heeft essentieel in de totale stikstofbalans in landbouwbodems. Daarom is het voor de activiteit van knobbelbacteriën belangrijk om de grond te cultiveren. Om het aantal knobbelbacteriën te verhogen, een bacteriepreparaat dat nitragine bevat: actieve races knobbelbacteriën. [...]

Volgens het Research Institute of Agricultural Microbiology kunnen in een aantal bodems knobbelbacteriën die overeenkomen met een bepaalde peulvruchtcultuur afwezig zijn, en de bestaande hebben een onproductief stikstoffixatiesysteem. In dit verband hebben microbiologen veredelingswerk uitgevoerd. Als gevolg hiervan worden elke drie jaar tot tien nieuwe stammen van knobbelbacteriën overgebracht naar fabrieken, waarvan het stikstofbindend vermogen 10-20% hoger is dan de vorige referentiestammen. Het medicijn rizotorfin gemaakt en in massa geproduceerd - een handige en praktische vorm van levering van knobbelbacteriën aan zaden en groeiende wortels van peulvruchten.

Organische en minerale meststoffen (fosfaat-kalium) die op de bodem worden aangebracht, verbeteren het vermogen van knobbelbacteriën om stikstof uit de lucht te assimileren aanzienlijk. Om de activiteit van knobbelbacteriën te activeren, moeten zure bodems worden gekalkt en moeten bodems in droge gebieden worden voorzien van vocht. [...]

Mutualisme is een interactie tussen twee organismen van verschillende soorten, wat gunstig is voor elk van hen. Stikstofbindende knobbelbacteriën leven bijvoorbeeld op de wortels van vlinderbloemige planten en zetten atmosferische stikstof om in een vorm die beschikbaar is voor assimilatie door deze planten. Daarom voorzien bacteriën planten van stikstof. Op hun beurt voorzien de planten de knobbelbacteriën van alle voedingsstoffen die ze nodig hebben. Interactie tussen micro-organismen die in de dikke darm van een persoon leven en de persoon zelf kan ook als mutualisme worden beschouwd. Voor micro-organismen wordt het voordeel bepaald door het feit dat ze in hun voedingsbehoeften voorzien uit de inhoud van de darmen, en voor de mens is het voordeel dat micro-organismen extra vertering van voedsel uitvoeren en ook vitamine K synthetiseren, wat daarvoor uiterst noodzakelijk is In de wereld van bloeiende planten is mutualisme insectenbestuiving van planten en insecten die zich voeden met plantennectar. Mutualisme is ook belangrijk bij de "verwerking" van organische stoffen. De vertering van cellulose in de maag (pens) van runderen wordt bijvoorbeeld verzorgd door de bacteriën die het bevat. [...]

De bijzonderheid van de voeding van peulvruchten is dat ze de aanwezigheid van minerale stikstofverbindingen in de bodem niet nodig hebben. In symbiose met knobbelbacteriën gebruiken peulvruchten vrije stikstof uit de atmosfeer. Daarom zijn deze gewassen een bron van biologische stikstof voor de landbouw. ​​[...]

In dit opzicht is de methode van inenting - pre-zaaibehandeling van zaden van vlinderbloemige planten met een preparaat van knobbelbacteriën van de overeenkomstige soort - stevig in de landbouwpraktijk terechtgekomen. V verschillende landen De technische voorbereiding voor het enten van vlinderbloemigen heeft verschillende namen gekregen. In de USSR, de Duitse Democratische Republiek, de Bondsrepubliek Duitsland en Polen wordt het nitragine genoemd. Vandaar dat de methode van inoculatie van de respectieve gewassen in deze landen nitratie wordt genoemd. Nitragine verhoogt de opbrengst van vlinderbloemige planten met 10-15%, en in nieuwe teeltgebieden - met 50% of meer. [...]

Zoals hierboven vermeld, groeit klaver slecht op zure grond, wordt vaak uitgedund en valt soms helemaal uit, zelfs in het eerste jaar van gebruik. De vitale activiteit van knobbelbacteriën op dergelijke bodems wordt onderdrukt. Zuurgraad van de bodem, vooral in de noordwestelijke regio's van de niet-Tsjernozem-zone (hier heeft meer dan de helft van het bouwland verhoogde zuurgraad), in aanwezigheid van mobiele vormen van aluminium daarin is een van de redenen voor de daling van de opbrengst van grassen. [...]

Fixatie van atmosferische stikstof. Geen enkele groene plant kan zich rechtstreeks voeden met stikstof uit de lucht. Aangezien, als gevolg van de activiteit van denitrificerende bacteriën, er een voortdurende afname is van de reserves van gebonden stikstof in de natuur en de omzetting ervan in atmosferische stikstof, zou het leven op de grond onvermijdelijk sterven als gevolg van stikstofhonger. Er is echter een groep micro-organismen die in staat is atmosferische stikstof te binden, waardoor het beschikbaar wordt voor planten. Deze micro-organismen worden stikstofbindende bacteriën genoemd, ze splitsen zich op in knobbelbacteriën die zich op de wortels van peulvruchten ontwikkelen en vrij in de bodem leven.

Als resultaat van deze studies werd gevonden dat aanvankelijk, in grote hoeveelheden, gelabeld atmosferisch stikstofgas gefixeerd door peulvruchten in grote hoeveelheden alleen aanwezig is in het celsap van knobbelweefsel, het hypertrofische wortelweefsel van peulvruchten, van waaruit het gaat geleidelijk over in andere plantenorganen. In knobbelbacteriën is gelabelde stikstof volledig afwezig wanneer planten 6 tot 48 uur worden blootgesteld of is aanwezig in uiterst onbeduidende hoeveelheden, meestal niet meer dan mogelijke fout experiment (Tabel 4). [...]

Bovendien is PS Kossovich verantwoordelijk voor de studie van de cyclus van zwavel en chloor in de natuur en economie, die tot nu toe zijn betekenis niet heeft verloren, evenals het bewijs van de positie dat knobbelbacteriën atmosferische stikstof binden die via de wortels is binnengekomen, en niet door de bladeren van vlinderbloemigen. Hij bestudeerde met succes de worteluitscheiding van gewassen, met name het vrijkomen van koolstofdioxide, en koppelde dit aan het assimilatievermogen van de wortels. [...]

Een gemeenschap van organismen gebaseerd op wederzijds voordeel, wanneer twee soorten een gunstige omgeving voor elkaar creëren voor ontwikkeling, wordt symbiose genoemd. Een voorbeeld is de relatie tussen knobbelbacteriën en peulvruchten. Knobbelbacteriën ontvangen stikstofvrije organische stoffen en minerale zouten van een peulvruchtplant en geven deze in ruil daarvoor stikstofhoudende stoffen die door hen zijn gesynthetiseerd uit atmosferische stikstof.

Aminoautotrofen omvatten micro-organismen die stikstof, ammoniumzouten, salpeterzuurzouten en ureum gebruiken. Aminoautotrofen, wanneer ze de stikstof van minerale verbindingen gebruiken, zetten het voorlopig om in ammoniakstikstof en consumeren het vervolgens om aminozuren te bouwen, waaruit eiwitten worden gesynthetiseerd. De voorlopige omzetting van stikstof in ammoniak wordt verklaard door het feit dat stikstof in de microbiële cel in gereduceerde toestand is in de vorm van amino (NH2) en iminogroepen (NH). De rol van stikstof in de eiwitsubstanties van bacterieel protoplasma is dat het reactiviteit aan eiwitten verleent. Stikstof is vanwege inertie moeilijk in de samenstelling van verbindingen binnen te dringen, maar het komt er gemakkelijk uit. [...]

De invloed van de voorganger heeft in de eerste plaats invloed op de stikstofvoorziening van het bemeste gewas. Planten die worden gezaaid na peulvruchten, die een bepaalde hoeveelheid stikstof achterlaten die is opgenomen door knobbelbacteriën uit de atmosfeer, reageren beter op fosfor dan die na andere voorgangers. SP Kulzhinsky (1935) illustreerde deze situatie met gegevens van Oekraïense proefstations (tabel 72). [...]

Onlangs hebben zich steeds meer gegevens verzameld dat veel lysogene culturen 2, 3, 4 en meer gematigde fagen bevatten, dat wil zeggen dat ze polylysogeen zijn. Veel actinomyceten, proactinomyceten, knobbelbacteriën en sommige sporendragende bacteriën bevatten bijvoorbeeld 4 of meer fagen. Fagen in polylysogene culturen verschillen onderling vaak sterk in deeltjesvorm, antigene eigenschappen en spectrum van lytische werking. Polylysogene culturen kunnen experimenteel worden verkregen door ze gelijktijdig of achtereenvolgens bloot te stellen aan verschillende gematigde fagen. De op deze manier verkregen gewassen verschillen niet van die uit natuurlijke bronnen. [...]

Deze veranderingen kunnen zowel positief zijn voor de vruchtbaarheid als negatief. Een voorbeeld van positieve veranderingen is het verwijderen van overtollige zuren als gevolg van kalk, de ophoping van stikstof door de activiteit van knobbelbacteriën tijdens het zaaien van peulvruchten, het verwijderen van schadelijke zouten in geïrrigeerde bodems na uitspoeling, het verbeteren van het water-lucht regime door de ondergrond los te maken, enz. [.. .]

Groenbemesting verrijkt de bodem voornamelijk met organische stof en stikstof. Vaak wordt, afhankelijk van de gebruiksomstandigheden, 35-45 ton organische stof geploegd op een hectare bouwland, met daarin 150-200 kg stikstof uit de lucht gefixeerd door knobbelbacteriën (bij het zaaien van vlinderbloemige groenbemester). ..]

Mutualisme (symbiose): elk van de soorten kan alleen leven, groeien en zich voortplanten in aanwezigheid van de ander. Symbionten kunnen alleen planten zijn, of planten en dieren, of alleen dieren. Typische voorbeelden van voedselgeconditioneerde symbionten zijn knobbelbacteriën en peulvruchten, mycorrhiza van sommige schimmels en boomwortels, korstmossen en termieten.

In de natuur en in de economie zijn er echter grote verschillen in de kringloop van stikstof en fosfor. Zoals u weet, is lucht bijna 4D samengesteld uit moleculaire stikstof. En hoewel het ontoegankelijk is voor hogere planten, wordt het geassimileerd door sommige micro-organismen, met name knobbelbacteriën die op de wortels van peulvruchten leven. Deze bacteriën leveren stikstofrijk voedsel voor meer dan alleen peulvruchten. Wanneer gewasresten in de grond worden geploegd en de wortels verteren, is er voldoende stikstof voor het ingezaaide gewas na peulvruchten, vooral na klaver en luzerne. [...]

Erwten verrijken de bodem alleen met stikstof als er knobbeltjes aan de wortels ontstaan, en hoe groter en krachtiger, hoe beter de bodem verrijkt is met stikstof. Voor deze doeleinden moeten erwtenzaden op de dag van zaaien worden behandeld met nitragine onder een afdak, waardoor stikstofbindende bacteriën worden beschermd tegen schadelijke effecten. zonnestralen... De inhoud van een fles nitragine, opgelost in 2 liter water, bevochtigt de zaden en schept ze op. Gedroogde zaden worden zonder vertraging gezaaid. Nitragynisatie induceert vroege nodulatie en bevordert betere ontwikkeling planten. Het gebruik van nitragine is effectief bij vroeg zaaien erwtjes in natte aarde... Op onbeklede zure bodems ontwikkelen knobbelbacteriën zich slecht en wordt de werking van nitragine sterk verminderd.

Een typisch voorbeeld van symbiose is het nauw samenleven van schimmels en algen, wat leidt tot de vorming van een complexer en meer aangepast plantenorganisme - korstmos. Een ander treffend voorbeeld van symbiotisch samenleven in de bodem is de symbiose van schimmels met hogere planten, waarbij schimmels ontstaan ​​op de wortels van planten m en-k rond r en z y. Er wordt een uitgesproken symbiose waargenomen tussen knobbelbacteriën en peulvruchten. [...]

D. N. Pryanishnikov voerde aan dat het voor ons land veelbelovender is, niet grasland, maar intensieve vruchtwisseling. Zij waren het die de graansoort met drie velden vervingen die duizend jaar lang in West-Europa heerste. Met drie velden was een derde van het land leeg (late braak) en twee derde werd ingezaaid met graangewassen. Peulvruchten werden niet gekweekt, wat de mogelijkheid van stikstofmobilisatie in de lucht met behulp van knobbelbacteriën uitsloot en de stikstofvoeding van planten en de stikstofcyclus in de landbouw negatief beïnvloedde. In deze vruchtwisseling waren er bijna geen rijgewassen, waaronder aardappelen en wortelgewassen, wat leidde tot onkruidvelden en een constant gebrek aan ruwvoer. Eeuwenlang kon de boereneconomie (met uitzondering van de koelak-elite) niet uit de vicieuze cirkel komen die werd getekend door de beroemde Russische agronoom van de 18e eeuw. AT Bolotov, die schreef: "... zonder mest levert het land geen oogst op, en er is weinig mest, omdat er weinig vee is, en er is weinig vee, omdat er weinig voer is, en er is weinig voer , aangezien het land geen gewas zonder mest oplevert "(1779). [...]

Moeilijkheden bij opslag, transport en gebruik van agar- en bouillonpreparaten van nitragine, evenals hun korte houdbaarheid, zijn ernstige redenen die bijdragen aan de verplaatsing van dit preparaat uit de productie. Losse poedervormige preparaten van nitragine hebben ongetwijfeld voordelen ten opzichte van agar en bouillon. Hun productietechnologie is eenvoudiger en zuiniger. Turfgewassen gaan langer mee en zijn gemakkelijker te vervoeren. Ze beschermen de cellen van knobbelbacteriën tegen direct contact met meststoffen en houden ze levensvatbaar op zaden, vooral bij het granuleren van zaden met kalk.

Volgens het schema is de hogere plant een bron van koolstofhoudende verbindingen. Hun transformatie levert een energetisch materiaal voor de processen van activering en reductie van N2. Geactiveerde stikstof is de laatste elektronenacceptor. De producten van onvolledige oxidatie van koolstofhoudende verbindingen dienen als acceptoren van 1CHN3 en vormen aminozuren in de knobbeltjes, die beschikbaar komen voor de hogere plant. Planten fungeren als opslagplaats van koolstofhoudende verbindingen (producten van fotosynthese) en als energieleverancier. Knobbelbacteriën in het bacteroïde stadium vertonen het vermogen om geactiveerde waterstof over te dragen naar stikstof met behulp van stikstofase. Het pad van N2 naar T III wordt beschouwd als een herstelproces. [...]

Erwtenplanten hebben het vermogen om stikstof uit de lucht te assimileren, de grond ermee te verrijken, en daarom zou de hoofdrichting in het bemestingssysteem het gebruik van fosfor- en kaliummeststoffen moeten zijn. Een goed ontwikkeld wortelsysteem van erwten onderscheidt zich door een hoog assimilerend vermogen van voedingsstoffen, maar om de opbrengst aanzienlijk te verhogen, kan men niet rekenen op het gebruik van de nawerking van meststoffen in vruchtwisseling, en daarom is het noodzakelijk om minerale meststoffen direct toe te passen voor erwten. Het reageert op de toepassing van fosfaat- en kalimeststoffen. Fosfor helpt de rijping van planten te versnellen. Bij een gebrek daaraan in de bodem ontwikkelen wortelknobbelbacteriën zich slecht op de wortels en neemt de opbrengst af. Bij een gebrek aan kalium worden de bladeren geel en ontwikkelen de bonen zich slecht, vooral op grond met een lichte textuur. Op zure bodems verminderen erwten de opbrengst sterk en wordt de activiteit van knobbelbacteriën verzwakt. Daarom is het bekalken van zure bodems een voorwaarde voor het verhogen van de opbrengst van erwten en een hogere efficiëntie van de toegepaste minerale meststoffen. De dosis kalk is afhankelijk van de zuurgraad van de grond (3 ... 6 t / ha), het is beter om kalk toe te passen onder de vorige gewassen. [...]

Een van de belangrijkste processen van interactie van micro-organismen met hogere plant is een symbiotische fixatie van atmosferische stikstof - het belangrijkste element dat de grootte en kwaliteit van het gewas bepaalt. De totale hoeveelheid moleculaire stikstof die betrokken is bij de biologische circulatie van het symbiotische peulvrucht-rhizobiale systeem is 3 miljoen ton per jaar, alleen in de USSR. , en daarom de mogelijkheid om het probleem van voedingseiwitten op te lossen, maar ook de meest economische bron van aanvulling van stikstofreserves in de bodem. Om goedkope "biologische stikstof" in de landbouwproductie in veel landen te gebruiken, wordt het ingezaaide areaal voor vlinderbloemige gewassen vergroot en wordt de voorzaaibehandeling van zaden met preparaten van knobbelbacteriën verkregen op basis van actieve stammen van Rhizobium veel gebruikt. De aard en effectiviteit van de symbiotische relatie van een peulvruchtplant met knobbelbacteriën hangt af van de fysiologische en biochemische toestand van beide partners, en daarom zal de invloed van factoren op een van hen zeker de productiviteit van het systeem als geheel beïnvloeden.

Organismen van het geslacht Rhizobium worden gekenmerkt door polymorfisme, dat wil zeggen dat de vormen van bacteriën zeer divers zijn. Deze micro-organismen kunnen mobiel en bewegingloos zijn, de vorm hebben van een coccus of stokken, filamenteus, ovaal. Meestal zijn jonge prokaryoten staafvormig, wat verandert met groei en leeftijd als gevolg van de ophoping van voedingsstoffen en immobilisatie. In zijn micro-organisme doorloopt verschillende stadia, die kunnen worden beoordeeld aan de hand van zijn verschijning... Aanvankelijk is dit de vorm van een staaf, dan de zogenaamde "gordelstaaf" (heeft riemen met vettige insluitsels) en ten slotte een bacteriode - een grote onbeweeglijke cel met een onregelmatige vorm.

Knobbelbacteriën zijn specifiek, dat wil zeggen dat ze zich alleen in kunnen nestelen

een bepaalde groep of plantensoort. Deze eigenschap wordt genetisch gevormd in micro-organismen. Efficiëntie is ook belangrijk - het vermogen om atmosferische stikstof te accumuleren in genoeg voor zijn waardplant. Deze eigenschap is niet permanent en kan veranderen als gevolg van habitatomstandigheden.

Er is geen consensus over hoe knobbelbacteriën de wortel binnendringen, maar er zijn een aantal hypothesen over het mechanisme van hun penetratie. Sommige wetenschappers geloven dus dat prokaryoten de wortel binnendringen door schade aan de weefsels, terwijl anderen praten over penetratie door wortelharen. Er is ook een auxine-hypothese - de aanname van satellietcellen die bacteriën helpen om wortelcellen binnen te dringen.

Dezelfde introductie vindt plaats in twee fasen: eerst - infectie van wortelharen, dan - de vorming van knobbeltjes. De duur van de fasen is verschillend en afhankelijk van de specifieke plantensoort.

Het belang van bacteriën die stikstof kunnen binden is groot voor de landbouw, omdat het deze organismen zijn die de productiviteit kunnen verhogen. Deze micro-organismen worden bereid die worden gebruikt voor de behandeling van peulvruchtzaden, wat bijdraagt ​​aan een snellere infectie van de wortels. Verschillende soorten bij het planten, zelfs op arme gronden, hebben ze geen extra stikstofbemesting nodig. Dus 1 hectare peulvruchten "aan het werk" met knobbelbacteriën brengt binnen een jaar 100-400 kg stikstof in gebonden toestand over.

Dus knobbelbacteriën - symbiotische organismen, die niet alleen erg belangrijk zijn in het leven van de plant, maar ook