Микробно-растительные взаимодействия при росте и развитии растений

В качестве точки отсчета взаимодействия микро- организмов и растений логично избрать прорастание семени в почве. Однако семена растений, попадающие в почву, уже заселены микроорганизмами, т. е. ми- кробно-растительные отношения начинаются гораздо раньше. Довольно часто, и особенно это характерно для фитопатогенов, микроорганизмы уже находятся внутри созревшего семени. Потенциально семя рас-

тения может нести на себе бактериальные клетки, их эндоспоры или цисты, конидиоспоры и/или обрывки гиф актиномицетов, обрывки мицелия грибов и/или их конидиоспоры, цисты простейших, а также, воз- можно, яйца нематод и вирусы. Численность разных групп микроорганизмов варьирует и зависит от мно- гих факторов — размера, формы, родовой и видовой принадлежности растения, наличия или отсутствия специфических покровов, местообитания растения, т. е. географических и климатических факторов и др. Обилие и разнообразие микроорганизмов, колонизи- рующих поверхность семени, в существенной степени определяются и биологией самих микроорганизмов. Важную роль в контаминации поверхности семян, способности удерживаться на их поверхности играют такие характеристики микроорганизмов, как размеры и морфология, структура поверхности клетки, способ- ность к длительному выживанию в условиях низкой влажности (обезвоживании), при воздействии света и т. д. В связи с этим фактически невозможно предска- зать, сколько на поверхности здорового семени может быть бактерий, тем более грибов.

На поверхности и в покровах, а в некоторых слу- чаях и в тканях разных семян можно обнаружить бактерии, принадлежащие к родам Agrobacterium, Arthrobacter, Bacillus, Burkholderia, Clavibacter, Clostridium, Curtobacterium, Erwinia, Pseudomonas, Rhizobacter, Rhizomonas, Streptomyces, Xanthomonas и др.;

грибы родов: Acremonium, Alternaria, Aureobasidium, Aspergillus, Botrytis, Cephalosporidium, Cfaviceps, Drechslera, Fusarium, Gibberella, Helminthosporium, Humicola, Penicillium, Perenospora, Phoma, Phytophthora, Plasmopara, Puccinia, Pythium, Rhizoctonia, Septoria, Trichothecium, Ustilago, Verticillium и др. Среди перечисленных родов бактерий и грибов много истинных фитопатогенов.

В семенах растений, даже находящихся в состоя- нии глубокого покоя, протекают процессы метаболиз- ма и, следовательно, происходят обменные процес- сы с окружающей средой. Многие семена растений обладают специфическим, характерным для соот- ветствующего вида запахом за счет синтеза летучих органических веществ. Эти вещества являются потен- циальными субстратами для микроорганизмов. Есте- ственно, что микроорганизмы — обитатели поверхно- сти семян и растений в меньшей или большей степени, но постоянно ощущают на себе воздействия этих об- менных процессов.

При попадании в благоприятные условия влажно- сти и температуры семя растения набухает и прорас- тает (рис. 31). При набухании, а тем более прорастании в семени происходят соответствующие молекулярно- генетические и физиолого-биохимические процессы. Те же факторы — влажность и температура — ока- зывают соответствующее действие и на микроорга-

низмы, находящиеся на поверхности семени. Однако основное действие на микробное сообщество поверх- ности семян оказывает «выброс» органических ве- ществ из набухающего и прорастающего семени. Концентрация и состав таких веществ каждого вида специфичны. Например, при прорастании семян пше- ницы обнаруживаются углеводы (главным образом, глюкоза и фруктоза, а в целом — до 10 компонентов), органические кислоты (в большинстве своем — сук- цинат, фумарат и малат) и до 16 аминокислот, среди которых доминируют аспарагиновая и глутаминовая.

Помимо нелетучих веществ, как при прорастании семени, так и активации метаболизма поверхностных микроорганизмов имеет место «выброс» и летучих ор- ганических веществ (ЛОВ). Взаимовлияния веществ на макро- и микроорганизмы в настоящее время актив- но исследуются.

Рис. 31. Прорастающее и развивающееся из семени в почве растение [21].

 

Прорастающее и развивающееся из семени в почве растение (рис. 31) сталкивается с различными микроско- пическими биологическими объектами: микроскопиче- скими животными, простейшими, грибами, бактериями и вирусами. Будущее растение контактирует с этими объектами как формирующейся корневой системой, так и будущей надпочвенной частью — стеблем, пока про- ростком. Корень контактирует с неспецифическими для него микроорганизмами, т. е. такими, контакт с которы- ми не приводит к его инфицированию, и со специфи- ческими, инфицирующими корень микроорганизмами. Среди инфицирующих имеются непатогенные и типич- ные патогены. К непатогенным относятся, например, клубеньковые бактерии, а из грибов — микоризные, эндо- и эктомикоризные. Однако имеется и другая точка зрения, когда взаимодействие с растениями упомянутых бактерий и грибов в более широком контексте рассма- тривается как патогенез. Из структурных частей почвы

для микробиологии особый интерес представляет ее ор- ганическое вещество — гумус, состоящий из остатков животных и растительных организмов и обитающих в почве микробов. Поверхностный слой почвы беднее микробами, так как на них вредно воздействуют фак- торы внешней среды: высушивание, ультрафиолетовые лучи, солнечный свет, повышенная температура и др. Наибольшее количество микроорганизмов находится на глубине 5-15 см, меньше их на глубине 20-30 и еще меньше на глубине 30-40 см. Наиболее богаты микро- флорой возделываемые (культурные) почвы; бедны — песчаные, горные, а также почвы, лишенные раститель- ности; содержание их в почве увеличивается с севера на юг.

К типичным почвенным бактериям относятся Вас. subtilis, Вас. mycoides, Вас. mesentericus, Вас. megatherium, Cl. tetani, Cl. perfringens, Cl. oedomaticus, Cl. histolyticus, Cl. botulinum, Cl. chauvoeij а также термофильные, пиг- ментные, непигментные и другие микроорганизмы, со- ставляющие иногда 80-90% всей микрофлоры почвы. Пространство и почву, окружающие формирующийся корень, называют ризосферой. Считается, что первое определение понятия ризосферы было дано Хилтнером в 1904 г. В настоящее время под ризосферой понимают пространство вокруг корня от 0 до 2-8 мм в диаметре, в котором имеет место более обильное развитие микро- организмов из-за стимулирования их роста корневыми экссудатами (выделениями), а в более широком смыс- ле — корневыми депозитами. Пространство ризосферы иногда называют еще эндоризосферой, включая в это по- нятие и ткани самого корня в противовес ризоплане, под которой подразумевают только то, что находится непо- средственно на поверхности корня и прикреплено к кор- ню. Корневые экссудаты представляют собой низкомоле- кулярные органические вещества, продукты фотосинтеза и метаболизма растения. К ним относятся сахара, органи- ческие кислоты и аминокислоты, спирты, гормоны, вита- мины и др. Эти вещества «утекают» из зоны вблизи кон- чика корня, точнее зоны «растяжения» корня в процессе его роста и развития. Корневые ризодепозиты — более широкое понятие. Они включают не только экссудаты, но и все другие вещества — высокополимерные слизи полисахаридной и белковой природы, ферменты, отми- рающие и слущивающиеся поверхностные клетки с их содержимым, куски тканей, в частности кортекс верхних стареющих участков корня, корневой чехлик, корневые волоски, летучие органические вещества и др. Считают, что в виде ризодепозитов растение теряет более 30-40% продуктов фотосинтеза.

Помимо химического воздействия на почву и на- ходящихся в ней микроорганизмов, в том числе через изменение pH и Eh имеет место и чисто механическое воздействие растущего корня на окружающую его эко- нишу. Феномен более высокой плотности микроорга- низмов вокруг корня за счет потребления экссудатов и ризодепозитов называется ризосферным эффектом.

В сравнительных экспериментах с выращиванием сте- рильных растений в стерильной и нестерильной почве показано, что в ризосфере микробно-растительные взаимодействия выражаются, в частности, и в стиму- ляции экссудирования растений. Численность микро- организмов в ризосфере может превышать их числен- ность в окружающей почве от нескольких процентов до десятков процентов и даже на порядок.

Общую численность микроорганизмов в ризос- фере назвать очень трудно. Она зависит от типа по- чвы, растения и других факторов и может колебаться от миллионов до сотен миллиардов клеток на грамм сухой почвы.

Оказалось, что пространственно-временная орга- низация микробного сообщества ризосферы не просто отражает зоны экссудации корня, а имеет свою спец- ифическую структуру. Микробное сообщество раз- вивается вдоль растущего корня волнообразно, т. е. зоны с более высокой плотностью микроорганизмов чередуются с зонами низкой плотности. При этом пики разной плотности микроорганизмов смещаются во времени вдоль корня и, следовательно, можно го- ворить о форме «движущейся волны» развивающегося микробного сообщества ризосферы. Волнообразное развитие микробных популяций наблюдали и в ризо- плане, и в перпендикулярном корню направлении, т. е. явление волнообразного роста микроорганизмов в ри- зосфере представляет собой всеобщую форму разви- тия микробного сообщества ризосферы.

Пространство, окружающее надпочвенную по- верхность растения, включая ткани этого растения, называют филлосферой, а поверхность растения — филлопланой. Микроорганизмы, колонизирующие надземные поверхности растений, называют эпи- фитными микроорганизмами (от греч. epi — вокруг; phytos — растение). Количество эпифитных микроор- ганизмов, обнаруживаемых на поверхности листьев, иногда может достигать 108 клеток на грамм свежих листьев, или 106 на 1 см2, что вполне сопоставимо с численностью микроорганизмов в грамме почвы. Численность и разнообразие микроорганизмов, на- пример тех же бактерий, существенно зависят от вида растения и его местообитания, климата, погодных ус- ловий и некоторых других обстоятельств. Некоторые из них уже были упомянуты при обсуждении наличия микроорганизмов на семенах растений. Это опять же сапротрофные и фитопатогенные представители ро- дов Pseudomonas (Р. syringae, P. fluores- cens и др.), Erwinia (Е. carotovora, Е. amylovora), Xanthomonas (X. сатpestris), Agrobacterium (A. tumefaciens), родов Beijerinckia, Enterobacter, Klebsiella, Methylobacterium и многих других. Имеются различия в микробном сообществе верхней стороны листа и нижней. Суще- ственную роль в этом играют свет и температура. Есте- ственно, что растения пустынь, суккуленты, содержат гораздо меньше микроорганизмов на единицу площа-

ди поверхности или на грамм, чем растения влажных тропических лесов.

Как упоминалось выше, возле корней растений в по- чве находится большое количество ризосферных микро- организмов. Здесь встречаются псевдомонады, микобак- терии (неспорообразующие палочки), актиномицеты, а также спорообразующие бактерии и грибы. Эти микро- организмы переводят различные сложные вещества в со- единения, доступные для растений, синтезируют биоло- гически активные соединения (витамины, антибиотики и др.), вступают в симбиотические взаимоотношения с растениями, обладают антагонистическими свойства- ми по отношению к фитопатогенным микробам. Состав ризосферы специфичен для каждого вида растений. Рас- тения культурных почв в большей степени загрязнены микроорганизмами, чем растения лугов и лесов. Осо- бенно много микробов содержится в нижней части рас- тений, что связано с их попаданием из почвы. В большом количестве обнаруживаются микроорганизмы на расте- ниях, растущих на свалках, вблизи навоза, в местах выпа- са скота. При этом на растениях могут быть обнаружены и патогенные микроорганизмы.

Микробная обсеменённость растительного лекар- ственного сырья зависит от исходной загрязненности, но может повышаться на этапах первичной обработ- ки, измельчения, приведения в стандартное состояние. Порча сырья происходит в основном при повышенной влажности, способствующей размножению гнилостных микроорганизмов. Наиболее обильно микроорганизмы представлены в почве, особенно в прикорневой зоне. В её состав входят различные микобактерии, псевдомо- нады, спорообразующие, азотфиксирующие и нитри- фицирующие бактерии, актиномицеты и грибы. Вокруг корней растений находится зона интенсивного роста и повышенной активности микробов. Поверхность кор- невой системы колонизируют преимущественно псев- домонады и грибы. Последние вступают в симбиоти- ческие отношения с растениями и образуют микоризу (грибокорень), стимулирующую рост обоих партнёров.

 

Фитопатогенные грибы

К фитопатогенным микроорганизмам относят бак- терии, вирусы и грибы. Фитопатогенные грибы вызы- вают микофитозы [20].

Грибы, вызывающие заболевания лесных пород и культурных растений, наносят огромный ущерб. Массовые заболевания растений (эпифитотии) могут быть причиной голода населения целых стран. Болез- ни снижают потенциальный урожай на 10—20% и бо- лее. В Центральной Европе насчитывают до 162 се- рьезных заболеваний сельскохозяйственных культур. Из них 135 (83%) вызываются грибами, остальные — бактериями и вирусами. Поражая лекарственные рас- тения, грибы, как и другие микроорганизмы, делают их непригодными для использования в качестве сырья

в фармацевтической промышленности (описание фи- топатогенных грибов и бактерий приводятся в главе 3). Паразитические грибы подразделяют на экто-

и эндопаразиты. Эктопаразиты распространяются пре- имущественно по листьям, внедряясь в клетки хозяина только специализированными органами (например, га- усториями), и спороносят на его поверхности. К ним относятся возбудители мучнистой росы злаков, тык- венных, табака, картофеля. Эндопаразиты развивают свой таллом внутри хозяина, при спороношении они выходят наружу.

В зависимости от типа взаимоотношения гриба и растения-хозяина различают облигатные и факуль- тативные паразиты. Первые поражают только живые ткани и не растут на обычных питательных средах. К таким грибам относятся важнейшие для экономики фитопатогенные грибы, например Puccinia graminias (черная ржавчина злаков) и Peronospora tabacina (лож- ная мучнистая роса табака).

Факультативные паразиты также поражают живые ткани растения, но после его отмирания не погибают, они могут расти на лабораторных питательных средах. К ним относятся многочисленные грибы, разрушаю- щие древесину. Они вызывают практический интерес в связи с проблемой утилизации отходов сельского и лесного хозяйства.

Фитопатогенные грибы различаются по специфич- ности выбора растения-хозяина. Например, среди воз- будителей мучнистой росы Erisiphales имеются как виды, поражающие только определенные расы хозя- ина, так и грибы, которые поражают растения из раз- ных порядков. Ржавчинные грибы Puccinia graminis в гаплофазе развивается на барбарисе, а в дикариоти- ческой — на злаках. Некоторые паразитические грибы предпочитают отдельные органы растений. Например, пурпурная спорынья Claviceps purpurea инфицирует только завязи злаков, Ustilago violacea (возбудитель го- ловни злаков) — только тычинки. Грибы рода Verticillium развиваются в сосудах растения, нарушая движение со- ков, что приводит к его увяданию и гибели.

Гриб проникает в ткань растения через устьица или через раны на его поверхности; они способны про- рывать поверхностные структуры своими инфекцион- ными гифами. Далее гриб распространяется по расте- нию, что сопровождается появлением симптомов его заболевания. На следующей стадии инфекционного процесса гриб развивает органы спороношения, а ре- акция растения зависит от количества и качества воз- будителя заболевания.