На корнях какого растения не бывает клубеньковых бактерий

Обновлено: 02.07.2024

Корневые клубеньки – это образования на корнях некоторых растений, вызванные активностью азотфиксирующих бактерий. Встречаются такие клубеньки преимущественно в корневой системе бобовых культур, образующих симбиотические связи с клубеньковыми бактериями.

Клубеньковые бактерии усваивают атмосферный кислород и минерализуют его, насыщая им почву. Именно поэтому в почвах с нехваткой азота растения часто вступают в симбиоз с некоторыми штаммами бактерий для поддержания минерального баланса и активации роста. Самыми изученными на данный момент являются клубеньки, образуемые на корнях бобовых растений.

В процессе жизнедеятельности бактерий, свободный азот из атмосферы преобразовывается в клубеньках до получения аммония. А тот, в свою очередь, в процессе дальнейшего синтеза становится частью других органических соединений, таких как витамины, нуклеотиды, флавоноиды, аминокислоты и др.

Благодаря симбиотическим связям с азотфиксирующими бактериями, бобовые культуры лучшими предшественниками. При этом растение само контролирует развитие клубеньковых бактерий. Если почва достаточно насыщена азотом, развитие клубеньков приостанавливается.

Стимуляция развития клубеньков также не вызывает затруднений. Энергия, необходимая для жизнедеятельности азотфиксаторов, вырабатывается в результате окисления продуктов фотосинтеза (сахаров), которые в достатке присутствуют в листве. Получаемый в результате распада сахаров углерод и является питательной средой для бактерий.

Еще одним важным элементом, необходимым для преобразования азота, является кислород. Для привлечения и удержания кислорода бактерии содержат легоглобин – связывающий белок. Аналогичный белок (миоглобин) содержится в тканях животных и используется для клеточного дыхания.

Самой хорошей базой для подготовки к сдаче экзаменов по биологии, кроме изучения учебников, является Открытый банк заданий ФИПИ, включающий тесты КИМов за все прошлые годы сдачи ЕГЭ и ОГЭ (ГИА) в нашей стране.

1. Ольга: Встретила такой вопрос на соотнесение. Азотфиксирующие клубеньковые бактерии являются автотрофами или гетеротрофами? Хемосинтез есть — обычно относим к авто-. Но от растений они берут органику в симбиозе, то есть по типу добывания углерода потребители получается. Если бы разговор был о свободноживущих ризобиях, даже не сомневалась бы в автотрофности. А тут подрастерялась.

Ольга: Понятно, не хватило времени и усилий подтянуть теорию по вопросу. Спасибо, предельно понятно. Надеюсь, с ЕГЭ не разойдемся. Но еще почитаю…

2 . Анна: У меня такой вопрос. Если всем растениям необходимы азотные удобрения, то они все могут фиксировать азот? Думала, что это привилегия только бобовых с их клубеньковыми бактериями.

Б.Ф.: Никакие растения, ни бобовые, ни растения других семейств не способны фиксировать азот (имеется в виду использовать для питания атмосферный азот N₂). Все растения питаются уже связанными формами азота: нитратным азотом или аммонийным азотом. Из воздуха способны усваивать азот только некоторые (их очень мало видов) азотфиксирующие бактерии. Таковыми являются симбиотические клубеньковые бактерии, селящиеся в корнях бобовых растений, и различные свободноживущие бактерии-азотфиксаторы, заселяющие зону вблизи корней любых растений (ризосферные бактерии).
Симбиотическая фиксация N2 более эффективный процесс, чем фиксация N₂ ризосферными бактериями, поэтому бобовые растения меньше требуют для жизни затрат почвенного минерального азота, чем не бобовые. При выращивании бобовых в агроценозах, они, соответственно, будут требовать меньших доз азотных минеральных удобрений, чем, например, злаковые растения.

3. Светлана: Помогите мне разобраться с бактериями. Какие куда следует отнести. Меня интересуют клубеньковые, азотобактер, нитрифицирующие. Мои мысли: нитрифицирующие однозначно хемосинтетики, клубеньковые симбионты скорее автотрофы (аминоавтотрофы), азотобактер свободноживущие (аминоавтотрофы) значит клубеньковые и азотобактер автотрофы.

Б.Ф.: Да, Вы правы, что нитрифицирующие бактерии — это автотрофные бактерии (хемосинтетики).
Но клубеньковые бактерии и азотобактер — это ГЕТЕРОТРОФНЫЕ организмы, способные к фиксации атмосферного азота N₂. Азотфиксация — очень энергоемкий процесс, требующий больших количеств легкодоступных органических веществ — углеводов в качестве источника энергии. Эти углеводы клубеньковые бактерии получают в необходимом количестве за счет фотосинтеза растений, находясь непосредственно внутри клубеньков корней бобовых растений. Свободноживущему азотобактеру тоже необходимо огромное количество углеводов, поэтому он будет активно размножаться и фиксировать азот атмосферы только вблизи корней растений (в их ризосферной зоне), куда поступают продукты фотосинтеза.
Лишь с точки зрения питания азотом азотфиксаторы — аминоавтотрофы. А с точки зрения деления всех организмов на автотрофов (способных самим создать органические вещества из неорганических) и гетеротрофов (нуждающихся в готовых органических веществах как источнике углерода и энергии), нитрификаторы — автотрофные (хемотрофные) организмы, а клубеньковые бактерии и любые другие азотфиксирующие (фиксирующие молекулярный азот воздуха N₂) бактерии — гетеротрофные организмы.

7. Светлана: Борис Фагимович, очень часто сталкиваюсь с вопросом о цианобактериях. Они относятся к фотосинтетикам, а не хемосинтетикам, да?

Б.Ф.: Да, Светлана, цианобактерии (или сине-зеленые бактерии), раньше неправильно называли сине-зеленые водоросли, являются фотосинтезирующими бактериями. Они уникальны еще и тем, что способны к азотфиксации.

Светлана: То есть они ещё и хемосинтетики. Или я чего то недопонимаю?

8. Айдар: В какое время возникает первичный крахмал? В чем его биологическая роль?

Клубеньковые бактерии представляют собой микроорганизмы, которые относятся к роду Rhizobium (дословно с греч. – "живущие на корнях"). Они внедряются в корневую систему растения и там живут. При этом они не являются паразитами, т. к. не только бактерии, но и сам представитель флоры получает пользу. Такое взаимовыгодное существование организмов называется симбиозом. В данном случае растения дополнительно получают атмосферный азот, который "ловят" микроорганизмы, а сами бактерии – углеводы и минеральные вещества. Бытует мнение, что данные прокариоты поселяются в корнях только представителей семейства бобовых, однако это не так. Существуют и другие растения, корни которых служат местом обитания клубеньковых прокариот – например, ольха, вейник лесной и т. д.

Для организмов рода Rhizobium характерна полиморфность, т. е формы бактерий очень разнообразны. Данные микроорганизмы могут быть подвижными и неподвижными, иметь форму кокка или палочки, нитевидную, овальную. Чаще всего молодые прокариоты имеют палочковидную форму, которая с ростом и возрастом изменяется за счет накопления питательных веществ и обездвиживания. В своем жизненном цикле микроорганизм проходит несколько стадий, о которых можно судить по его внешнему виду. Изначально это форма палочки, затем так называемой "опоясанной палочки" (имеет пояски с жировыми включениями) и, наконец, бактериод – крупная неподвижная клетка неправильной формы.

Клубеньковые бактерии обладают специфичностью, т. е. они способны поселяться только у

определенной группы или вида растений. Это свойство у микроорганизмов сформировалось генетически. Также важной является и эффективность – способность накапливать атмосферный азот в достаточном количестве для своего растения-хозяина. Данное свойство не является постоянным и может изменяться из-за условий обитания.

О том, как клубеньковые бактерии попадают в корень, нет единого мнения, однако существует ряд гипотез о механизме их проникновения. Так, некоторые ученые считают, что прокариоты внедряются в корень через повреждения его тканей, а другие говорят о проникновении через корневые волоски. Также существует ауксинная гипотеза – предположение о клетках-спутниках, которые помогают бактериям внедряться в клетки корня.

Само же внедрение происходит в две фазы: сперва – инфицирование корневых волосков, затем – образование клубеньков. Длительность фаз различна и зависит от конкретного вида растения.

Таким образом, клубеньковые бактерии – симбиотические организмы, которые очень важны не только в жизни растения, но и круговороте азота в природе.

Клубеньковые бактерии впервые были обнаружены в 1888 году ученым М. Бейеринком. Он выделил азотфиксирующие симбиотические микроорганизмы из корневых клубеньков бобовых растений. Особенность этих бактерий в том, что они благоприятствуют формированию клубеньков, в которых фиксируется атмосферный азот.

Это взаимовыгодный союз, так как бактерии потребляют органические соединения в клубеньках, а растению доступны связанные соединения азота. Эти взаимоотношения называются симбиотическими.

Все клубеньковые бактерии, которые поражают корневую систему бобовых различаются. При этом, они рассматриваются как родственные.

Клубеньковые бактерии характеризуются:

подвижностью;
наличием монотрихий или перитрихий;
размерами палочки — от короткой до средней. В цифрах это 0,5-0,9 мкм ширины и 1-3 мкм длины;
такие бактерии являются грамотрицательными, аэробами и не спорообразующими организмами.

Клубеньковые бактерии питаются:

различными углеводами;
полисахаридами (гликоген, декстрин);
многоатомными спиртами;
органическими кислотами;
фосфором;
кальцием;
калием;
соединениями железа и др.

Отдельные виды бактерий при усвоении углеводов могут образовывать кислоты.

Микроорганизмы часто сами синтезируют некоторые витамины, такие как тиамин, рибофлавин и цианокобаламин, а также вещества роста — гетероауксин, гиббереллины, цитокинины.

Видовая специфика клубеньковых бактерий

Клубеньковые бактерии формируют симбиотические связи с растениями, принадлежащими семейству Leguminosae.

Клубеньковые бактерии отличаются видовой спецификой в зависимости от того, кто является их растением-хозяином. Отдельный вид бактерий образует клубеньки на одном или нескольких видах бобовых растений:

Rhizobium phaseoli — фасоль;
Rhizobium leguminosarum — вика, горох, чечевица, кормовые бобы;
Bradyrhizobium lupine — люпин;
Bradyrhizobium — маш, арахис, вигна и т. д.

Специфичность клубеньковых бактерий — явление не до конца изученное. Многие считают, что бактерии начинают взаимодействовать с корневой системой растения в результате привлечения клеток микроорганизмов при помощи корневых выделений.

Подвижные бактерии, характеризующиеся хемотаксисом, заражают растения быстрее.

Растения преимущественно заражаются через молодые корневые волоски.

В бобовых растениях содержатся белки или гликопротеины (лектины), которые специфичным образом связывают полисахариды. Последние выполняют функцию распознавания.

С помощью взаимодействия поверхностных полисахаридов бактерий и лектинов корней бобового растения можно определить, может ли произойти инфицирование корневого волоска этим видом клубеньковых бактерий.

Как взаимодействуют бактерии и растения-хозяева

Клубеньковые бактерии проникают в корневые волоски бобовых растений разными способами:

через верхушку корневого волоска;
в месте около его конца;
через щели, которое расположены в основаниях боковых ответвлений корня.

Понять, что растение инфицировано, можно по специфическим изменениям формы корневых волосков: их изгиб похож на форму ручки зонтика.

То, насколько корневой волосок искривляется, зависит от:

вида бобового растения;
места проникновения бактерий;
активности штамма клубеньковых бактерий.

Место проникновения бактерий характеризуется разрыхлением клеточной стенки волоска, которое происходит под действием гидролитических ферментов бактерий.

Бактерии формируют инфекционную нить: это гифообразная слизистая масса. Движение нити происходит в направлении клеток эпидермиса и основания волоска, а далее — в паренхиму через клетки коры.

Внедрившись в клетки растений, инфекционная нить покрывается целлюлозной оболочкой.

Бактерии могут размножаться исключительно в тетраплоидных клетках коры. За редким исключением — в клетках эпидермиса корня.

Происходит интенсивное деление инфицированной клетки и незараженных клеток. Как результат — образуется клубенек.

Читайте также: