Ризосферная и эндофитная азотфиксация

Взаимодействие корней с ассоциативными N2-фиксирующими бактериями было открыто Дж. Доберейнер, которая в конце 1970-х гг. показала широкое распространение ассоциаций Azospirillum со злаками, дала их базовую эколого-физиологическую характеристику, а также оценку агрономического потенциала. В ранних работах ростостимулирующую активность азоспирилл связывали исключительно с фиксацией N2, размеры которой оценивали в 40-60 кг/га и даже в 100 кг/га в год. Однако позднее было показано, что наиболее существенную роль в этой активности играет бактериальный синтез ауксинов, которые улучшают рост и физиологическую активность корней, повышая количество поглощаемых из почвы питательных веществ, в том числе азотных соединений. Ауксины синтезируются азоспириллами с использованием разнообразных биохимических путей. Их участие в стимуляции роста растений было показано с помощью бактериальных мутантов, дефектных по выделению ауксинов. Субстратом для этого синтеза обычно служит триптофан, выделение которого корнями способствует усилению ростостимулирующей активности бактерий.
Растения поддерживают и регулируют азотфиксацию благодаря выделению большого количества корневых экссудатов, количество которых зависит от генотипа растения и может достигать 25-30 % от общей продукции фотосинтеза. Компонентами экссудатов пшеницы, наиболее важными для поддержания нитрогеназной активности азоспирилл, являются органические кислоты (цитрат, сукцинат, малат), тогда как сахара (глюкоза, сахароза, ксиланоза), хотя и выделяются в значительных количествах, не являются оптимальными для проявления ростостимулирующих свойств бактерий. Интересно отметить, что в корневых экссудатах дикорастущих диплоидных пшениц органические кислоты доминируют над сахарами, тогда как у культивируемых гексаплоидных сортов преобладают сахара, в связи с чем диплоиды могут поддерживать в 30—40 раз больше клеток азоспирилл в расчете на 1 мг выделяемого углерода. Данные пример показывает, что в процессе окультуривания и селекции растений могло происходить обеднение их генофонда факторами, обеспечивающими полезные симбиотические взаимодействия.
Механизмом регуляции ассоциативных симбиозов может быть выделение растениями сигнальных факторов, которые привлекают азоспирилл в ризосферу и стимулируют их прикрепление к корням. Это прикрепление обеспечивает тесный контакт партнеров, в результате чего количество продуктов азотфиксации, поступающих от бактерий к растению, достигает максимальных значений. Процессы движения и прикрепления связаны с активностью бактериальных флагелл, а также поверхностных молекул, в первую очередь, липо- и экзо-полисахаридов. Важную роль в прикреплении азоспирилл к корням играют лектины растений, воздействие которых на чистые культуры бактерий может стимулировать их нитрогеназную активность и экспорт аммония.
Таким образом, взаимодействие N2-фиксирующих ризобактерий с корнями имеет ряд факторов, общих с образованием клубеньков, включая лектины и фитогормоны. Однако в экто- и эндосимбиозах эти факторы действуют по-разному. При развитии клубеньков синтез гормонов осуществляется растениями под действием ризобиальных сигналов, тогда как при ассоциативных симбиозах в регуляцию взаимодействия вовлечены ауксины бактериального происхождения. При образовании клубеньков взаимодействие бактерий с лектинами происходит на ранних стадиях симбиоза и обеспечивает последующее, более специфичное сигнальное взаимодействие и проникновение бактерий в корень. В прикорневых взаимодействие бактерий с лектинами — это один из конечных этапов развития отношений, который обеспечивает тесный контакт партнеров, необходимый для метаболического обмена. Очевидно, что в обоих типах симбиоза между партнерами устанавливаются положительные обратные связи, благодаря которым повышение азотфиксирующей и ростстимлирующей активности бактерий усиливает их размножение благодаря улучшенному снабжению продуктами фотосинтеза.
Ризосферные (эпифитные) ассоциации не отделены резкой гранью от эндофитных систем: азоспириллы активно колонизируя ризосферу и ризоплану, могут проникать и в поверхностные ткани корней. Однако у растений выявлен ряд специализированных азотфиксирующих эндофитов, которые включают представителей как α- (Gluconacetobacter), так и β- (Herbaspirillum, Azoarcus) протеобактерий. Эти бактерии инфицируют корни растений (главным образом, злаков — кукурузы, пшеницы, сахарного тростника, сорго, ячменя) через разрывы эпидермиса, возникающие при росте боковых корней, после чего бактерии проникают в ксилему и распространяются по всем тканям и органам, достигая и семян. Концентрация этих эндофитов (на г сырой ткани) достигает 10в6-10в7 клеток, которые могут формировать многочисленные микроколонии в аэренхиме или в проводящих сосудах.
Как и азоспириллы, системные азотфиксирующие эндофиты сочетают способность к азотфиксации с синтезом фитогормонов — ауксинов, цитокининов и гиббереллинов, и для разделения вызываемых ими рост-стимулирующих эффектов необходимо использование генетических методов. Так, при инокуляции не фиксирующими N2 мутантами Gluconacetobacter или Azoareus растения накапливают гораздо меньше азота и развивают меньшую биомассу, чем при инокуляции исходными N2-фиксирующими штаммами. С использованием изотопных методов показано, что системные эндофиты могут обеспечивать до 70-80 % потребностей растения-хозяина в азоте. Интересно отметить, что динамика азотфиксирующей активности эндофитов совпадает по времени с динамикой фотосинтеза, показывая зависимость нитрогеназной активности от поступления С-соединений от хозяина.
Особенностью многих азотфиксирующих эндофитов является их низкая выживаемость в почве, которая, однако, не связана с полной неспособностью к автономному существованию. Большинство эндофитов может развиваться на синтетических безазотных средах, проявляя при этом азотфиксирующую активность, в связи с чем эндофиты могут рассматриваться как экологически облигатные симбионты растений. Специализация к симбиозу особенно ярко выражена у Azoarcus, который, находясь в растительных тканях, образует некультивируемые клеточные формы, осуществляющие симбиотическую азотфиксацию.
Вне растений многие азотфиксирующие эндофиты стабильно существуют в ассоциациях с другими организмами, в частности, с симбиотическими грибами или с насекомыми-фитофагами. При взаимодействии с этими организмами бактерии могут фиксировать азот, например, при ассоциации с эндофитным грибом-аскомицетом, выделенным из тканей злака Leptochloa fusca — основного хозяина Azoarcus, эта бактерия фиксирует азот, развивая особые мембранные структуры, содержащие нитрогеназу (диазосомы). Можно предположить, что почвенные и симбиотические грибы являются для эндофитов основными хозяевами, которые обеспечивают проникновение во временные ниши, занимаемые в тканях растений. Этот механизм может обеспечивать эффективную эксплуатацию грибами метаболизма растений, которые благодаря эндофитам получают дополнительное азотное питание и рост-стимулирующие вещества. В образуемой таким образом тройной симбиотической системе возникают дополнительные селективные давления в пользу поддержания мутуалистического характера взаимодействия эндофита с растением, так как в случае их антагонизма взаимодействие становится неблагоприятным для гриба-вектора. Действительно, инфицирование большинством азотфиксирующих эндофитов обычно не оказывает на растение патогенных воздействий и не вызывает у него защитных реакций.