Структура микробиома растений. Эндофиты- азотфиксаторы

Компания «Бионоватик» в октябре 2024 года  провела Форум – почвенный микробиом – как инструмент сохранения здоровья почв и повышения экономической эффективности сельхозтовароприозводителей. Форум обьединил ведущих экспертов страны, занимающихся вопросами сохранения плодороя и здоровья  почв  – почвоведов, микробиологов, агрохимиков, фитопатологов. Этим постом я открываю серию репортажей с Форума.                                                                                                                                              Определение «Здоровье почв»                                                                                                               Первое определение «Здоровье почв» было сформулировано в 1996 году   -   способность почвы функционировать как жизненно-важная живая система в границах экосистемы и землепользования для поддержания производства растений и животных ( Doran J. Soil health and sustanability , 1996).                                                                                                                      Позже эксперты  дополнили  и расширили это  определение :                                                                                     Здоровые почвы — это почвы, обладающие характерными зональными  или интразональными признаками (составом, свойствами, функциональными связями), приобретенными в результате естественного почвообразовательного процесса.                Здоровая почва - почва, обладающая  характерными зональными или интразональными признаками и обеспечивающая реализацию потенциала сельскохозяйственных культур в соответствии с природно-климатическими условиями и современными технологиями                                                                    Здоровая почва  - способность почвенной биосистемы  в заданных пространственных границах поддерживать продуктивность растений ,животных, приемлемое  качество урожая, воды и воздуха, а так же обеспечивать здоровье людей, животных и растений.

Структура растительного фитобиома – приуроченность к органам                                                                  Разные органы и ткани растений представляют собой отдельные ниши для фитобиома. Более всего по своим физико-химическим и биологическим характеристикам различаются подземные и надземные ниши. Внутри каждой из них выделяются зоны, более или менее подверженные влиянию выделений растений (в частности, корневых экссудатов), более или менее освещенные, насыщенные влагой и прочее. Подземная часть растения представлена корнем, и микроорганизмы могут обитать как непосредственно на нем (ризоплана), так и в тончайшем слое почвы, непосредственно примыкающем к нему и связанном с ним обменом химическими соединениями (экссудатами и продуктами микробной жизнедеятельности) (ризосфера). Надземная ниша (филлосфера) подразделяется на ряд подниш в зависимости от частей и органов растений – стеблей, листьев, цветов, плодов – каулосферу, филлоплану, антосферу и капросферу соответственно. Как в наземной, так и в подземной нишах микроорганизмы могут обитать снаружи (эпифиты) и внутри (эндофиты) растительных тканей. В результате сложных взаимодействий между хозяином, микроорганизмами и окружающей средой в указанных нишах формируются разные по составу и функциям микробные сообщества, объединяемые в ризосферную (ризоплановую и собственно ризосферную), филлосферную (филлоплановую и собственно филлосферную) и эндосферную (внутрикорневую, внутрилистовую, внутристеблевую, внутрисеменную и пр.) микрофлору. Интересную группу представляют собой симбионтные микроскопические грибы, формирующие с корнем растения систему – микоризу, позволяющие ему улучшить обеспечение водой, элементами питания, противостоять патогенам и экстремальным факторам среды (засуха, засоленность, загрязненность). Микоризные грибы могут обитать как снаружи, так и внутри корня (экто- и эндомикориза), а также одновременно и там, и там .

Эндофиты     

  Эндофитными могут называться бактерии, которые способны колонизировать внутренние ткани растения, не оказывая отрицательного влияния на его развитие и не вызывая заболеваний . Установлено, что эндофитные микроорганизмы, существующие внутри растения, включая надземную, подземную части и семена, и благотворно влияющие на их развитие, используют внутреннюю среду растений (эндосферу) в качестве уникальной экологической ниши, защищающей их от изменений внешней

среды.

Эндофитные бактерии обычно колонизируют межклеточные пространства, могут быть выделены из растений относящихся как к классу однодольных, так и двудольных.                                                                                                                                                                В корневой эндосфере представлены эндофитные бактерии и грибы. Среди бактерий доминируют Protebacteria (до 50%), однако представлены и Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, Acidobacteria, определены и другие типы бактерий – Chloroflexi, Cyanobacteria, Armatimonadetes, Verrucomicrobia, Planctomycetes и Nitrospirae, которые представляют меньшую часть сообщества. Грибы - на долю Ascomycota и Basidiomycota приходится более 98% организмов. Важнейшие для функционирования растений арбускулярные микоризные грибы, в основном относящиеся к подтипу Glomeromycotina, крайне немногочисленны (менее 2%).

В листовой эндосфере  - преобладают таксоны бактерий Protebacteria (50% и более), при этом суммарная доля Ascomycota и Basidiomycotaв грибном эндофитном микробиоме увеличивается до 99% .                                                                                                                                                                    

  Эндофиты – азотфиксаторы

Исследователями отмечаются такие позитивные функции эндофитных групп бактерий, как способность переводить атмосферный азот в формы, доступные для усвоения, тем самым улучшать азотное питание и стимулировать рост растения-хозяина.

Наиболее изученные эндофиты – представители родов Azospirillum, Azoarcus, Gluconacetobacter, Herbaspirillum; их практическое значение определяется способностью к колонизации злаковых растений, включая рис и пшеницу .

Важность деятельности диазотрофов не ограничивается фиксацией молекулярного азота. Механизм действия бактерий на небобовые растения имеет комплексный характер. В процессе жизнедеятельности они продуцируют биологически активные вещества, которые позволяют ускорить рост корневой системы и тем самым обеспечить растению

успех в охвате необходимой площади питания, а также регулировать

развитие растений, способствуют увеличению скорости поглощения воды и многое другое.

В следующих постах-репортажах я продолжу рассказывать о работе экспертов на Форме – показывая многообразие функций микробиома и демонстрируя   роль фитобиоима в развитии растений, формирования устойчивости к  абиотическим и биотическим стрессовым факторам, что в конечном счете определяет получение устойчивых урожаев.  

При подготовке поста использованы литературные источники, находящиеся в открытом доступе и материалы докладов участников Форума:

Монография - АССОЦИАТИВНЫЙ АЗОТ, УРОЖАЙ И УСТОЙЧИВОСТЬ   АГРОЭКОСИСТЕМЫ, Алферов А.А.,2020

Статья - РАСТИТЕЛЬНЫЙ МИКРОБИОМ: ПРОИСХОЖДЕНИЕ, СОСТАВ И ФУНКЦИИ

Г.Ш. Галиева, П.Ю. Галицкая, С.Ю. Селивановская, 2023       

 Материалы докладов:                                                                                                                                                                         

МИКРООРГАНИЗМЫ И ЗДОРОВЬЕ ПОЧВ , А.Ю,Муратова, Лаборатория экологической биотехнологии, Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов, ФИЦ Саратовский научный центр РАН

Адаптация почв к изменению климата Обсуждение стратегий и практик, которые помогают почвам адаптироваться к изменяющимся климатическим условиям, включая улучшение водоудерживающей способности и углеродного хранения,  О.С. Безуглова, д.б.н., профессор, Южный федеральный университет, Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского, кафедра почвоведения и оценки земельных ресурсов, Ростов-на-Дону

ПОЧВЕННОЕ МИКРОБНОЕ СОООБЩЕСТВО И ЕГО ФУНКЦИИ, Курынцева П.А., к.б.н., доцент, руководитель НИЛ «Green Agro», доцент кафедры биотехнологии Института экологии, биотехнологии и природопользования

ЗДОРОВЬЕ ПОЧВ (определение понятия здоровья почвы, количественные методы оценки как критерии диагностики параметров здоровья почвы), Соколова Е.А., к.б.н., эксперт в области Здоровья почв