Содержание
Введение
Глава 1. Литературный обзор. Влияние почвенной засухи на микоризу растений
1.1 Роль микоризы в жизни растений
1.2 Последствия влияние засухи на сельскохозяйственные растения
1.3 Перспективы использования эндофитных бактерии рода Bacillus subtilis
Глава 2. Объект и методы исследования
2.1 Объект и предмет исследования
2.2 Методы исследования
2.2.1 Методика посадки семян
2.2.2 Обработка семян бактериями Bacillus subtilis
2.2.3 Условия произрастания растений в условиях засухи
2.2.4 Методика сбора образцов
2.2.5 Методика окрашивания корней
2.2.6 Методика оценки колонизации арбускулярной микоризы растений
2.3 Статистическая обработка результатов
Глава 3. Результаты и обсуждение
3.1 Влияние влажности почвы на показатели микоризации корней растений
3.2 Влияние засухи и бактерий Bacillus subtilis на морфометрические показатели растений
Вывод
Список литературы
Сокращения
ВАМ - везикулярно - арбускулярная микориза
АМГ - арбускулярные микоризные грибы
PGPB (Plant Growth Promoting Bacteria) - бактерий, стимулирующие развитие растений
АМ - арбускулярная микориза
Введение
В последние годы внимание многих исследователей направлено на изучение влияния глобальных климатических изменений на растения. Это связано с тем, что влияние климатических и антропогенных факторов может негативно отразиться на жизнедеятельности живых организмов [Alam]. Повышение температуры воздуха на протяжении длительного времени может усилить испарение воды с поверхности почвы, и интенсивная транспирация приведет к иссушению корнеобитаемого слоя почвы.
Потепление с сопровождением почвенной и атмосферной засухи может сильно воздействовать на продукционные процессы сельскохозяйственных растений [Abdullaev]. Известно, что температурный и водный стресс приводят к нарушению метаболических процессов у растений, распаду белков, изменению коллоидно-химического состояния цитоплазмы и, в конечном итоге, к снижению количества накапливаемого растениями органического вещества [Эргашев]. Такие полигенные признаки, как продуктивность, устойчивость к стрессам, качество урожая и другие, могут сильно варьировать под влиянием условий среды.
В то же время недостаточно внимания уделяется изучению влияния засухи на везикулярно-арбускулярную микоризу (ВАМ) [Abbott, Robson, 1982, с. 389?408.]. засуха эндофитный bacillus subtilis
Везикуло - арбускулярная микориза (ВАМ) - широко распространенная в природе в виде микробо-растительного симбиоза, играющая важную роль в обеспечении растений питательными элементами, водой и способствующая выживанию растений при неблагоприятных условиях окружающей среды [Marulanda]. По некоторым данным, более 90% видов наземных растений вступают в симбиотические отношения с микоризными грибами (Glomeromycota) [Helgason]. Арбускулярные микоризные грибы являются облигатными симбионтами и не способны размножаться в культуре in vitro .
АМГ играют жизненно важную роль в обеспечении устойчивого сельского хозяйства, потому что они увеличивают водных отношений растений, которые улучшают засухоустойчивость растений-хозяев [Nelsen, 1987, c. 71-79]. Способности конкретных ассоциаций между растениями и AMГ переносить засуху, имеют большой интерес. Исследования на условиях засухи показали, что растительная биомасса, содержание хлорофилла, и интенсивность транспирации были больше в растениях, зараженных AMГ по сравнению с растениями без АМГ [Asensio, Rapparini, Peсuelas, 2012, c. 149-161]. Также у AMГ были обнаружены эффекты на проводимость устьиц с одинаковой частотой при обильном поливе и засухи [Awotoye, Atayese, Osonubi, Mulongoy, Okali, 1992, c. 67-77]. AMГ симбиоз также влияет на устьичную чувствительность к состоянию атмосферной влаги [Huang, Smith, Yost, 1985, c. 229-243].
Актуальность темы. Образование симбиоза с эндомикоризными грибами у большинства сельскохозяйственных культур - важный фактор улучшения минерального, в особенности фосфорного, питания растений и повышения их продуктивности. Однако в результате воздействия почвенной засухи симбиотрофность растений снижается(Тихонович).
Для повышения эффективности эндомикоризного симбиоза может быть усиление положительного взаимодействия симбионтов с ассоциативными ростстимулирующими бактериями (например, Azospirillum, Arthrobacter, Pseudomonas, Bacillus и др.), в современной литературе называемыми «бактерии, стимулирующие развитие растений» (от англ. Plant Growth Promoting Bacteria, PGPB) [Sood, 2003, c. 219-227; Compant, Duffy, Nowak, Clйment, Barka, 2005, c. 951-959]. Интерес к этому направлению вызван тем, что некоторые эндофитные штаммы бактерий используются в качестве основы препаратов для защиты растений от фитопатогенов, например Bacillus subtilis 26Д - основа биофунгицида, фитоспорин [Хайруллин, Минина, Иргалина, 2009, с. 133-137.]. Практически не изучены тройственные симбиозы, которые могут формировать растительные организмы, эндофитные бактерии и микоризообразующие грибы.
Как правило, такие штаммы должны подавлять рост и развитие грибов, и не исключено, что антагонизм может проявиться и по отношению к грибным микроорганизмам, формирующим ВАМ. Важными механизмами положительного воздействия бактерий на микоризу и микоризованные растения служат продукция биологических активных веществ, мобилизация питательных веществ в почвы, фиксация атмосферного азота и биоконтроль фитопатогенных грибов(Shtark).
Цель работы: определить влияние инокуляции семян растений эндофитными штаммами бактерий Bacillus subtilis на микоризацию корней в условиях имитации почвенной засухи.
В связи поставленной целью были сформулированы следующие задачи:
1. Исследовать морфометрические показатели (длину и биомассу побегов и корней) растений в условиях имитации почвенной засухи.
2. Изучить развитие арбускулярной микоризы в корневой системе растений в условиях имитации почвенной засухи.
3. Изучить влияние инокуляции семян растений эндофитными штаммами бактерий Bacillus subtilis на ростовые показатели и микоризацию корней в условиях имитации почвенной засухи.
4. Провести сравнительный анализ влияния почвенной засухи на рост растений и развитие арбускулярной микоризы у инокулированных и неинокулированных эндофитными бактериями Bacillus subtilis растений.
Новизна. Впервые было проведено исследование колонизации арбускулярной микоризации корней растений, обработанных эндофитными штаммами бактерий Bacillus subtilis шт.26 Д и 11 ВМ в условиях имитации почвенной засухи.
Практическая значимость. Полученные результаты дополняют теоретические сведения о взаимоотношениях микоризы и растений. Данные могут быть учтены в практике сельского хозяйства, с целью повышения урожайности сельскохозяйственных растений в условия засухи.
Структура дипломной работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключение и списка использованной литературы.
Глава 1. Литературный обзор влияние засухи на микоризацию растений
1.1 Роль микоризы в жизни растений
Микориза - неотъемлемая часть большинства растений в природе. На инфицированных корнях грибы развивают внешний мицелий, который является мостом, соединяющим корень с окружающей почвой [Swift]. Одно из многих наиболее значительных влияний АМ-грибов на растение-хозяина - увеличение поглощения фосфора, главным образом, из-за способности микоризированных грибов поглощать фосфаты из почвы и передавать их корням хозяина. Кроме того, микоризная инфекция приводит к увеличению поглощения меди, цинка, никеля и др. Известно, что микориза уменьшает проблемы с болезнетворными микроорганизмами, которые инфицируют корни растений [Соколова, 1995, с. 13-15].
Арбускулярная микориза (AM) является наиболее экологически значимой формой растительно-микробных взаимодействий, образуемой большинством наземных растений с грибами типа Glomeromycota [Renker, Heinrichs, Kaldorf, 2003, c. 191-198]. Glomeromycota - это монофилетическая группа которая отошла от того же общего предка, как Ascomycota и Basidiomycota [Schьssler, 2001, c. 1413-1421]. AM-грибы характеризуются тем, что гифы образуют непрерывную цитоплазму, в которой ядра свободно распространяются, и каждый спор содержит несколько ядер, количество доходит до 100 и 200 ядер в одной споре [Marleau, 2011, с. 51]. Считается, что AM-источник биоразнообразия фитоценозов [Van der Heijden, Boiler, Wiemken, Sanders, 1998, c. 2082-2091]. На долю AM приходится не менее 20% объема круговорота веществ в наземных экосистемах [Каратыгин, 1993, c. 1-18]. В сельском хозяйстве AM является естественной альтернативой внесению больших количеств удобрений, в первую очередь фосфорных. Она может использоваться для восстановления нарушенных экосистем [Allen, 1996, c. 769-782], а также оказывать общестимулирующее влияние на растения, в результате которого значительно возрастает урожайность сельскохозяйственных культур [Маршунова, Якоби, 1988, c. 166-168]. AM обладает оздоравливающим эффектом, защищая растение от корневых патогенов путем синтеза антибиотиков или субстратной конкуренции, либо за счет индукции иммунных реакций у растения-хозяина [Marsh, Schultze, 2001, c. 525-532]. AM может изменять гормональный статус растений, влияя на содержание ауксинов, гиббереллинов, абсцизовой кислоты и цитокининов [Danneberg, Latus, Zimmer, Hundeshagen, Schneider-Poetsch, Bothe, 1992 c. 33-39].
AM-грибы являются облигатными организмами и не могут завершить свой жизненный цикл без растения-хозяина, в то время как растения выживают без грибковых партнера, но симбиотические взаимодействия приводит к улучшению морфометрических показаний [Delano-Frier, Tejeda-Sartorius M, 2008, c. 936-944]. Показано, что действие AMГ наиболее четко проявляется в том, что она способствует усвоению растениями труднорастворимого фосфора, а сорта, используемые в исследованиях эффективности AM, часто имеют ослабленную способность к симбиотрофному питанию фосфором, так как их селекция проводилась на хорошем агрохимическом фоне, при полном минеральном питании (либо при низком содержании азота в почве). [Martennson, Rydberg, 1994, c. 13-19].
Низкая доступность растениям почвенных запасов фосфора обусловлена слабой избирательной поглотительной способностью корней и дефицитом анионов ортофосфорной кислоты в почвенном растворе, возникающих в силу химической природы фосфорных соединений. Именно поэтому усвояемость сельскохозяйственными культурами фосфора из удобрений не превышает 25%, а подавляющее его количество фиксируется почвой, превращаясь в труднодоступные для растений соединения [Минеев, Дебрецени, Мазур, 1993, c. 415]. Улучшить минеральное питание можно путем применения двойной инокуляции растений азотфиксирующими и фосфатмобилизующими организмами, что позволит более эффективно использовать почвенные элементы питания и сократить дозы внесения минеральных удобрений [Муромцев, Бутенко, Тихоненко, 1985, c. 29].
Значение микоризных грибов для растений заключается в улучшении водно-минерального питания и защите корневых систем от фитопатогенных организмов. При наличии микоризы растения более успешно развиваются, повышается их фитоценотический статус, снижается внутри- и межвидовая конкуренция и возрастает видовое богатство растительных сообществ. Для целого ряда филогенетических групп растений, например, для псилотовидных и орхидных, микориза считается необходимым условием существования [Комарницкий, Кудряшов,Уранов, 1975, c. 608].
Симбиотическое сожительство обеспечивает высшему растению и грибу взаимную пользу. Микоризные грибы получают от своего зеленого сожителя углеводы. Высший симбионт, в свою очередь, использует огромную всасывающую поверхность гриба для получения из почвы необходимой влаги и питательных веществ [Блэк, 1973,с.76]. Подсчитано, что поверхность соприкосновения клеток коры корня и гиф гриба в эктотрофной микоризе в 10 ? 14 раз больше, чем поверхность контакта с почвой клеток «голого» корня, а корневые волоски обеспечивают увеличение всасывающей поверхности корня лишь в 2 ?5 раз [Нетрусов, 2004,с.86].
По тому, как осуществляется контакт, различают три типа микориз: эктотрофную, эндотрофную и эктоэндотрофную.
1.Эктотрофная микориза или наружная микориза, характеризуется поверхностным обволакиванием корней мицелием, который образует вокруг корня грибной чехол, в виде параплектенхиматической оболочки покрывает корешки до конуса нарастания. Мицелий эктотрофной микоризы как правило, в ткани корня не проникает, но отдельные гифы внедряются между клетками коры корешка и разветвляются там, образуя тонкую изящную перепонку. Эктотрофная микориза характерна для многих деревьев (дуб, ель, сосна, берёза), кустарников (ива), некоторых кустарничков (дриада) и травянистых растений (гречиха живородящая) [Жученко, 2001, с. 480].
2. Эндотрофная или внутренняя микориза не имеет наружного чехла и характеризуется в основном внутренними признаками. У эндотрофной микоризы мицелий гриба распространяется внутри тканей корня, не выходя на его поверхность. Он сосредоточен в элементах коры, никогда не проникает в сосудистые пучки и в конус нарастания корня. В образовании микориза такого типа участвуют фикомицеты (роды Endogone, Pythium). У растений семейства орхидных гифы гриба из почвы проникают в семя, образуя клубки, перевариваемые затем клетками семени [Там же. С. 531].
3. Эктоэндотрофная, или смешанная микориза занимает промежуточное положение между эктотрофной и эндотрофной микоризами, отличается тем, что микоризный гриб распространяется по поверхности корня и проникает во внутренние ткани корневых окончаний. Эктоэндотрофная микориза широко представлена у большинства древесных пород, хотя для них она не является обязательной, появление ее зависит от экологических условий окружающей среды [Brede, 1998, с. 43].
Эндомикоризные грибы - облигатные симбионты, не растущие в культуре in vitro. В связи с этим изучение жизненного цикла грибов было всегда затруднено.
Элементы минерального питания из почвы поглощаются наружными гифами эндофита и транспортируются к внутренним грибным структурам, а оттуда попадают в растение. Благодаря многочисленным анастамозам, сеть из внешних гиф пронизывает почву на большие расстояния. В естественных растительных сообществах гифы ВАМ-грибов образуют связи между отдельными корнями одного вида растений и даже между корнями различных видов растений. Эти связи способствуют переносу элементов минерального питания между растениями. Благодаря наличию внешних гиф, микотрофные корни способны использовать значительно больший объем почвы.