Фиксация азота соей
Фиксация азота соей
Азот является лимитирующим фактором для многих биологических систем, его ограничивающее действие усиливается по мере повышения уровня СО2 в атмосфере и роста мировой потребности в продовольствии, а попытки снизить уровень содержания С02 в атмосфере могут повлиять на производство синтетических азотных удобрений. В биологических системах растениям необходимо получать азот в определенном виде (например, в виде аммиака, нитратов или органических соединений). Он может поступать непосредственно из природных источников, при внесении минеральных удобрений или благодаря симбиозу с азот-фиксирующими бактериями. Хотя соя (Glycine max (L.) Merrill) может использовать для получения азота каждый из этих трех вариантов, в этой главе рассматривается ее способность фиксировать азот симби-отически. Также здесь будет исследован характер этого процесса, в том числе попытки улучшить его и определить взаимодействие азотфиксации с другими экологическими и биологическими факторами. В этой главе в основном обсуждается биологическая фиксация азота соей, но также приведены яркие и уместные примеры по другим зернобобовым, так как они могут применяться и к сое.
Фиксация азота соей
Чтобы доказать глобальное значение фиксации азота соей, необходимо сравнить ее показатели с глобальными показателями всех форм азотфиксации. По подсчетам Бернса и Харди (1975), совокупный показатель фиксированного (биологически и небиологически) азота составил около 175 млн тонн в год. По данным Кливленда и др. (1999), этот показатель находится в пределах от 100—290 млн тонн в год. В 1998 году деятельность человека (преимущественно выращивание бобовых и производство удобрений) предположительно также привела к дополнительной фиксации азота примерно 150 млн тонн в год (Галлоуэй, 1998). Источником небиологических поступлений азота являются в основном удобрения, которые, по оценкам, обеспечили около 100 млн тонн в 2008 году — по сравнению с 3,5 млн тонн в 1950 году (Эрисман и др., 2008); также небольшое количество азота выделяется при сгорании и разрядах молний (Несбитт и др., 2000). Кроме того, увеличилось количество лиственных отложений азота, которые, по оценкам Галлоуэя и др. (2004), в 1995 году составили 103 млн тонн. Большая часть этого азота получается из удобрений, промышленных и других выбросов, продуктов сгорания и других источников.
По оценкам двух обзоров (Херридж и др., 2008; Сальваджиотти и др., 2008), соя фиксирует 50—60 и 58% от своего общего потребления азота при почти нейтральном балансе почвенного азота, который является следствием выведения с семенами значительной доли азота. Однако этот азот может вновь попасть в окружающую среду вместе со сточными водами или навозом в других точках системы, при этом его общее количество обусловлено мировым производством азота (Херридж и др., 2008). Оценочные показатели высокоурожайной сои, выращенной в США, указывают, что она более зависима от применяемых удобрений (40%), чем бразильская соя (20%). В условиях эксперимента эта зависимость колебалась в пределах от нуля до почти 100%. В сравнительном анализе результатов последних опытов общая биологическая азотфиксация соей оценивается в 16,4 млн тонн азота в год, тогда как в целом при выращивании сельскохозяйственных культур фиксируется 50— 70 млн тонн (Херридж и др., 2008). Таким образом, Херридж и др. (2008) пришли к выводу, что соя является самым важным источником биологически фиксируемого азота среди всех бобовых культур (77%), при этом она составляет 68% от мирового производства бобовых культур.
Как и у всех бобовых, биологическая азотфиксация у сои зависит от связывания атмосферного азота "бактериями под действием фермента нитрогеназы. Это связывание происходит в специфичных симбиотических сообществах в корневых клубеньках бобовых и требует большого количества энергии (по крайней мере 16 молекул АТФ на молекулу N2). Связывание NO3 соей также требует энергии (или прямого использования фотосинтетических электронов) на том же уровне (Аткинс, 1982), что объясняет, почему урожайность сои может быть высокой как у сортов с высокой фиксацией азота, так и при внесении большого количества азотных удобрений. В то же время фиксация азота является тонким процессом, требующим высоких уровней фосфора.
Возрастающая стоимость синтетических азотных удобрений и их отрицательное воздействие на окружающую среду (прямое загрязнение азотными соединениями, выброс оксида азота и увеличение содержания в атмосфере углекислого газа) означает, что соя, как самая распространенная в мире азотфиксирующая бобовая культура, занимает важное место в мировом растениеводстве. Большая часть фиксированного соей азота остается доступной для последующих культур в севообороте. Это достигается заделкой в почву пожнивных остатков или применением навоза животных, которые питались кормами на основе сои. Усредненный оценочный показатель содержания азота в соевых пожнивных остатках составляет 59 кг/га (Сальваджиотти и др., 2008). Однако из вынесенных из почвы 40 кг азота с гектара в результате обратно возвращается только 19 кг, из которых 4 кг/га — симбиотический азот. Как бы там ни было, количество фиксируемого соей азота находится в сильной зависимости от системы земледелия, экологических и внешних факторов.
Микробиологические компоненты
Процесс инфицирования
Соя вступает в симбиоз с различными видами Rhizobium. Эти виды в большинстве случаев эволюционировали из основного (Китай) и вторичного (Индия) центров происхождения. В наше время проводится обстоятельная традиционная и, с недавних пор, молекулярная таксономия (Аппуну и др., 2008; Ян и Чжоу, 2008) этих видов с целью создания и дополнения общепринятой таксономии, опубликованной Виллемсом (2006). Виллемс классифицировал виды на быстрорастущие (Sinorhizobium fredii и Sinorhizobium xinjianngense, ранее описанные как случайная нодуляция), медленно растущие (Bradyrhizobium japonicum, Bradyrhizobium elkanii и Bradyrhizobium liaoningens) и виды промежуточного роста (Mesorhizobium tianshanense).
Специфичность по отношению к хозяину возникает при взаимодействии генов растения и бактерий (Смит и др., 1992; Бегум и др., 2001). Спейнк (2000) проанализировал бактериальные факторы, связанные с этим процессом распознавания. К ним относятся «факторы нодуляции, внеклеточные полисахариды, липополисахариды, К-антигены и циклические глюканы». Многие из этих факторов бактериальной нодуляции/распознавания в настоящее время хорошо изучены на молекулярном уровне (Зенер и др., 2008, для секреционной системы III типа). Тем не менее детальное обсуждение этих систем выходит далеко за пределы темы данной главы. Олройд и Дауни (2008) представили стадии первичного распознания и то, как они координируются в процессе создания бобовых клубеньков, в совершенно новом ключе. Многие из этих генов и их влияние как на растения, так и на бактерии в настоящее время хорошо описаны, а Олройд и Дауни (2008) детально осветили результаты их воздействия.
Гвата и др. (2004) описали наследование растением сои генов случайной нодуляции, в то время как Кэрролл и др. (1986) описали создание и изоляцию мутировавших форм сои, неспособных к образованию клубеньков. Таким образом, регуляция инфицирования зависит как от генов бактерий, так и от генов растительных организмов. Кроме того, заражение может регулироваться условиями окружающей среды.
Как только бактерии инфицируют растение, они внедряются в корневые клубеньки, принимая особую форму, известную как бактероид. Соя имеет определенную структуру клубеньков с несколькими бактероидами в одном перибактероидном мешочке. Такая сложная структура клубеньков делает возможным функционирование очень чувствительного к окислению фермента нитрогеназы, а также стимулирует рост и функционирование ризобий, которые являются облигатными аэробами. Содержание кислорода в клубеньках поддерживается на уровне 3—30 нМ, диффузия кислорода происходит через межклеточные воздушные промежутки и кислородсвязывающий гемопротеин (леггемо-глобин). Бактероиды заключены в перибактероидную мембрану, которая регулирует потоки между бактероидами и их окружающей средой. Растение обеспечивает бактерии органическими кислотами в качестве источника углерода, а бактероиды экспортируют фиксированный азот в форме аммиака. Затем клубеньки сои модифицируют аммиак, чтобы экспортировать уреиды через ксилему в надземные части растений (Мак-Нил и ЛяРю, 1984).