Взаимодействия бактерий с различными формами жизни

1. Взаимодействия бактерий с различными формами жизни Часть 4: Бактериально-растительные взаимодействия

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение
высшего образования «Оренбургский государственный университет»
Химико-биологический факультет
Кафедра биохимии и микробиологии
Взаимодействия бактерий с
различными формами жизни
Часть 4: Бактериально-растительные взаимодействия
Биогеоценозы. Микроорганизмы и
их биосферное значение
Лекция 9
Лектор: Давыдова Ольга Константиновна, к.б.н., доцент

2. План лекции:

Взаимодействие микроорганизмов с растениями
Микроорганизмы филлосферы
Бактерии-паразиты
Синдром мокрой древесины
Микроорганизмы ризосферы
Этапы взаимодействия ризобий. Азотфиксация и выработка
леггемоглобина
Особенности взаимодействия агробактерий. Ti и Ri-плазмиды
Понятие экосистемы / биогеоценоза
Состав и структура
Преобразование экосистем
Примеры экспериментальных замкнутых экосистем
Год в «Звездолете»
БИОС-1 и БИОС-3
Биосфера-2
Марс-500 и Mars One

3.

Бактериально-растительные
взаимодействия
© https://www.flickr.com/photos/59005620@N08/8086581363

4.

Растение:
Бактерии:
Поступление в
прикорневую зону
корневых выделений,
содержащих различные
органические вещества,
доступные бактериям, и
корневого опада, т.е.
отмирающих корней.
бактерии ризосферы
вырабатывают тиамин и
ряд других витаминов,
синтезируют ростовые
вещества — гиббереллин и
гетероауксин, разрушают
органические и
минеральные соединения,
способствуя повышению
эффективности
использования растением
минеральных веществ
почвы.
© http://www.plantdesigns.com/vitazyme/vitazyme_science

5.

Микроорганизмы филлосферы
Поверхность растения, и главным образом поверхность листьевфиллосфера (гр. phyllon – лист, sphaire- шар), является местом
обитания разнообразных микроорганизмов, которые определяют как
эпифитные (гр. epi- на, phyton- растение).
Численность популяций бактерий филлосферы определяется
доступностью влаги и питательных веществ, источником которых служат
вымываемые водой из листа вещества, секреты и экссудаты растения.
Бактерии, развивающиеся в филлосфере, могут приносить растению
пользу, выделяя стимуляторы роста; значительная часть этих бактерий
способна к азотофиксации. Однако в составе микрофлоры филлосферы
могут сохранятся и патогенные формы, до некоторых пор не
вызывающие заболевания растения.
Типичным обитателем поверхности
разнообразных растений является образующая
желтый пигмент Erwinia herbicola.
©http://sian.inia.gob.ve/repositorio/revistas_ci/Agronom
ia%20Tropical/at4403/Arti/contreras_n.htm

6.

Синдром мокрой древесины
Такое поражение стволов деревьев
вызывают аэробные бактерии и
бактерии-бродильщики,
внедряющиеся во внутреннюю часть
ствола в местах, где были обломаны
или спилены ветви, через
морозобойные трещины или
повреждения корней. Это смешанное
микробное сообщество
распространяется внутрь ствола в
живую ткань, разлагая при этом
пектин в срединных пластинках и
ситовидных трубках. Дерево
утрачивает способность регулировать
поступление воды, и его ткани
насыщаются водой, поступающей из
почвы под действием капиллярных
сил; древесина становится мокнущей.

7.

Микроорганизмы ризосферы
Микроорганизмы находятся непосредственно
и на поверхности корней и в почве,
прилегающей к корням, - ризосфере (гр.
rhiza- корень).
Число бактерий в ризосфере превышает их
число в зоне почвы, удаленной от корней в
десятки, а часто в сотни раз. Это так
называемый ризосферный эффект.
Популяция многочисленных видов
микроорганизмов ризосферы не являются
собственно микрофлорой растения, однако
они оказывают большое влияние на
жизнедеятельность растения: бактерии
ризосферы вырабатывают тиамин и ряд
других витаминов, синтезируют ростовые
вещества- гиббереллин и гетероауксин,
разрушающие органические и минеральные
соединения, способствуя повышению
эффективности использования растением
минеральных веществ почвы.
В ризосфере преобладают гетеротрофные
грамотрицательные палочки.
© http://elementy.ru/genbio/synopsis?artid=202

8.

Азотфиксация
Около 75% видов населяющих почву бактерий
способны к азотофиксации.
Активная фиксация молекулярного азота
происходит в образующихся при этом на корнях
бобовых растений клубеньках.
Клубеньковые бактерии представляют собой
грамотрицательные подвижные аэробные
палочки; быстрорастущие формы относят к роду
Rhizobium, медленнорастущие- Bradyrhizobium.
Первичные этапы взаимодействия клеток
бактерий с корневой системой соответствующего
растения включает аттракцию бактерий его
корневыми выделениями
Существенное значение для взаимного узнавания
бактерий и растения имеют лектины бобовых.
Это - белки или гликопротеины, лишенные
ферментативной активности, но способные к
специфическому связыванию остатков сахаров.
Молодая клубеньковая
бактерия
Клубеньковые бактерии
внутри клубенька
© http://elementy.ru/genbio/synopsis?artid=355

9.

Взаимоотношения с корнями клевера Rhizobium trifolii
Лучше других изучены
взаимоотношения Rhizobium trifolii с
корнями белого клевера. Клевер
синтезирует лектин - трифолиин.
Поверхности бактерий и клетки
растений содержат сходные
антигенные детерминанты,
реагирующие с трифолиином
(рисунок внизу). Лектин служит
мостиком между ними.
Соответствующие антигенные
детерминанты содержит кислый
капсульный полисахарид и (или)
липолисахарид Rhizobium trifolii. Эти
детерминанты обнаруживаются
только на поверхности клеток
бактерий, способных инфицировать
растение.
© рис. из книги Громова Б.В., Павленко Г.В. «Экология бактерий», 1989 г.

10.

Взаимоотношения с корнями клевера Rhizobium trifolii
Можно выделить две стадии
прикрепления бактерий к корневым
волоскам клевера.
Сначала бактерии располагаются
на поверхности корневого волоска
случайным образом, но через
некоторое время большинство
клеток ориентируются полярно (1).© рис. из книги
Клевер обладает ферментами,
разрушающими бактериальные
капсульные полисахариды,
препятствуя до некоторой степени
их связыванию с трифолиином.
Бактерии, осевшие на корневом
волоске, начинают синтезировать
целлюлозные волокна, которые
еще прочнее закрепляют их на
поверхности корневого волоска.
Громова Б.В., Павленко Г.В. «Экология бактерий», 1989 г.
© http://jonlieffmd.com/blog/vital-plant-communication-with-bacteria-and-fungus

11.

Инфицирование корневого волоска
Искривления корневого волоска является первым признаком
заражения растения. Полагают, что прикрепленные к корневому
волоску бактерии ингибируют отложение ригидного бета-слоя только
в месте прикрепления бактерии, а его одновременное формирование
на противоположной стороне приводит к искривлению корневого
волоска. В результате сильного закручивания корневого волоска
бактерии оказывается внутри его завитка (2).
В корневом волоске клубеньковые бактерии образуют так
называемую инфекционную нить, представляющую собой
гифообразную слизистую массу, в которую погружены делящиеся
клетки бактерий (3). Нить передвигается к основанию волоска и
клеткам эпидермиса со скоростью 5-8 мкм в час. Из корневого
волоска нить сразу же по мере роста покрывается целлюлозной
оболочкой, которую синтезирует растение, по-видимому, с целью
изоляции ризобий.

12.

Инфицирование корневого волоска
Когда инфекционная нить
пронизывает находящиеся в коре
тетраплоидные клетки, часть
бактерий переходят из нити в
цитоплазму этих клеток и
начинают в них размножаться.
Бактерии, перешедшие в
цитоплазму клеток, растут,
делятся, но затем превращаются
в бактероиды – неспособные к
делению увеличенные в объеме
клетки нередко Т- или У-образной
формы.
Бактероиды становятся чем-то
вроде азотофиксирующих
органелл растения-хозяина.
© http://jonlieffmd.com/blog/vital-plant-communication-with-bacteria-and-fungus

13.

Леггемоглобин
Активно фиксирующие азот клубеньки обычно
довольно крупные и красноватые из-за
наличия леггемоглобина (ЛГ)
Апогемоглобин (белок без гемма) синтезирует
растение.
За синтез гемма ответственны бактероиды.
ЛГ не участвует непосредственно в фиксации
азота, поскольку бактероиды могут
фиксировать азот и без него. Видимо,
физиологическая роль ЛГ состоит в снабжении
бактерий молекулярным кислородом и
ограничении его концентрации путем
связывания, так, что система нитрогеназы не
ингибируется.
© http://agrobelarus.ru/content/mehanizmsimbioticheskoy-fiksacii-atmosfernogo-azota

14.

Взаимодействие с растениями Agrobacterium
Виды Agrobacterium эволюционно родственны бактериям рода Rhizobium.
Однако характер их взаимодействия с растением имеет своеобразные
особенности.
Сайтами связывания на поверхности бактерий, являются молекулы β- глюкана
и О-антигенные цепи липосахарида внешней мембраны. Бактерии связываются
с рецепторами растения, состоящими из белка и пектина;
Как только бактерии прикрепились к поверхности клеток растения, они
начинают образовывать целлюлозные фибриллы. Фибриллы служат более
прочному закреплению бактерии на поверхности хозяина и позволяют
зацепиться свободно плавающим клеткам бактерий, увеличивая
множественность заражения.
Клеточная стенка растения повреждается
вследствие выделения бактериями
пектолитических ферментов, что обеспечивает
плотный контакт бактерий с плазмалеммой
растительной клетки. Этот контакт необходим
для передачи ДНК от бактерии в растительную
клетку. Передача ДНК происходит без
нарушения целостности мембраны
растительной клетки, но требует
определенного ее состояния - компетентности.
© рис. из книги Громова Б.В., Павленко Г.В. «Экология бактерий», 1989 г.

15.

Ti и Ri-плазмиды
Способность Agrobacterium tumefaciens
индуцировать у растений образований
опухолей типа «корончатого галла»
коррелирует с наличием у них Тi- плазмиды
(tumor- inducing).
Другой вид Agrobacterium – А. rhizogenesвызывает заболевание, именуемое
«бородатый корень», при котором в зоне
повреждения корня образуется масса новых
корешков. Патогенность этой бактерии
определяется Ri- плазмидой (root- inducing),
часть которой тоже переносится в клетку
хозяина и встраивается в хромосому.
© microbewiki.kenyon.edu/index.php/Agrobacterium

16.

Ti и Ri-плазмиды
При контакте с клеткой растения бактерия
передает ей часть ДНК плазмиды, так
называемую Т-ДНК. Т-ДНК, содержащая
гены, необходимые для образования
опухоли и синтеза опинов —
специфических производных аминокислот,
встраивается в хромосому растительной
клетки. Т-ДНК содержит также гены,
определяющие синтез фитогормонов —
ауксина и цитокинина, от соотношения
которых зависит морфология
образующейся опухоли. В составе Tiплазмиды бактерии есть, кроме того, гены
вирулентности и гены, необходимые для
катаболизма опинов. Последние служат
бактериям, имеющим соответствующие
плазмиды, источниками углерода, азота и
энергии.
Описанный случай - пример миграции ДНК
прокариот в эукариотическую клетку
©http://www.nature.com/nature/journal/
v433/n7026/images/433583a-f2.2.jpg

17. Понятие экосистемы / биогеоценоза

Экосистема — биологическая система (биогеоценоз), состоящая из
сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания
(биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и
энергией между ними.
— система физико-химико-биологических процессов (А. Тенсли, 1935).
Главными свойствами биоценозов, отличающих их от неживых
компонентов, является способность продуцировать живое
вещество , обладать саморегуляцией и
самовоспроизводимостью . В биоценозе отдельные виды,
популяции и группы видов могут заменяться соответственно другими
без особого ущерба для содружества, а сама система существует за
счет уравновешивания сил антагонизма (конкуренции) между видами.
Между понятиями «экосистема» и «биогеоценоз» нет никакой
разницы. Однако биогеоценоз может служить аналогом экосистемы на
начальном уровне. В определении термина биогеоценоз
перечисляются конкретные биотические и абиотические компоненты,
в то время как определение экосистемы носит более общий характер.

18. Состав и структура

Компоненты биогеоценоза не просто существуют рядом, а активно
взаимодействуют между собой. Главными и обязательными
компонентами являются биоценоз и экотоп (биотоп).
Биоценоз – совокупность совместно обитающих трех
компонентов: фито-, зоо- и микробоценоз.
Экотоп – место жизни или среда обитания биоценоза, некое
"географическое" пространство.
Биотоп - это экотоп, преобразованный биоценозом для «себя».

19. Преобразование экосистем

Преобразованные человеком экосистемы, называемые «искусственными
экосистемами».
Ранее допускалось, что при деформировании естественного механизма
регуляции окружающей среды биосферы выше допустимого возможна его
замена искусственной системой регуляции. Сейчас уже очевидна
нереальность такой замены, так как для этого необходимо создать
управляющую систему невиданного масштаба и точности.
Химизация окружающей среды привела к нарушению циклов многих
элементов в биосфере, возникли циклы, отсутствовавшие в природе. При
сельскохозяйственной деятельности, освоении новых территорий
происходит ускоренная минерализация ранее накопленного органического
вещества и биомассы растений. На полях происходит искусственное
размыкание потока биогенных элементов вследствие изъятия урожаев.
Антропогенные потоки ряда элементов превысили их природные потоки.
Человечество использует во всевозрастающем объеме энергию
ископаемого топлива. Полезные ископаемые добываются,
перерабатываются, и после частичного использования превращаются в
отходы.

20. Экспериментальные замкнутые экосистемы

Биосфероподобные системы – искусственные замкнутые
экосистемы, в которых сформированы и функционируют вещественнообменные циклы, имеющие высокую степень подобия глобальным
вещественно-обменным циклам биосферы.
В замкнутых экосистемах любые отходы жизнедеятельности одного
биологического вида должны быть утилизированы как минимум одним
другим видом. Следовательно, если преследуются цель поддержания
жизни человека, то все отходы жизнедеятельности человека должны
быть в конечном итоге преобразованы в кислород, пищу и воду.
Замкнутая экосистема обязана иметь в своём составе как минимум
один аутотрофный организм. На данный момент практически все
замкнутые экосистемы основаны на фототрофах, таких как зелёные
водоросли.

21. Год в «Звездолете»

Первый в истории эксперимент по имитации инопланетной жизни был проведён секретно в
конце 1967 года в Институте медико-биологических проблем и вошёл в историю под
названием «Год в “Звездолёте”»
3 человека в течении 366 дней испытывали не только работу систем жизнеобеспечения в
замкнутом пространстве, но и крайние грани возможностей человеческого организма
На площади 3 на 4 м разместились стол, плита, велоэргометр, три полки для сна и санузел.
В модуле – замкнутая система жизнеобеспечения. Вода и воздух – ограниченный минимум,
пополняемый за счёт системы внутренней регенерации. На каждого испытателя – одно
ведро воды на 10 дней, плюс её добывание из «общественно-кухонных» отходов. В качестве
питания – консервы, сублимированные мясо и овощи. Калорийность питания не превышала
1000 калорий в сутки.

22.

В состав комплекса входила оранжерея высших растений. Она помещалась в
подстыкованном к обитаемому гермообъему блоке и имела посевную площадь, равную 7,5
м2, в 2 яруса. Мощные ксеноновые лампы заливали посевную площадь светом, имитируя
Солнце, которое светило непрерывно в течение 14 суток, после чего был 14-суточный
темный период, как на Луне. Поэтому комплекс также носил секретное название Лунный.
Растения выращивались на ионообменных смолах, предварительно насыщенных
микроэлементами, необходимыми для нормального роста. Выращивались укроп, капуста
хибинская, кресс-салат, огуречная трава.
В каждую кювету высевались семена только одного из 4 видов растений, и начиная с 4 дня
через день испытатели начинали снимать урожай каждый раз с четырех кювет. Таким
образом, в каждые «лунные» сутки испытатели в течение 10 дней непрерывно получали
свежие овощи с витаминами, а на 14-е сутки у них еще оставался запас на «ночь». Так за 10
лунных суток было собрано более центнера овощей.
Наиболее урожайной оказалась огуречная трава: на 14-й день ее урожай составлял свыше
4,0 кг/м2. Кресс-салат в этом возрасте давал 2—3 кг/м2, капуста хибинская — свыше 2,0
кг/м2, а укроп не более 2,0 кг/м2 Работая в режиме конвейера, такая оранжерея
обеспечивала для каждого испытателя до 150 г свежей зелени.
В процессе эксперимента была установлена принципиальная возможность выращивания
высших растений в среде замкнутого объема при пребывании в нем человека и
многократном использовании воды. Первоначальный запас воды составлял одну тонну. За
время эксперимента через почву (испарение) и растения (транспирация) прошло более 7
тонн воды.

23. БИОС-3

В 1972 году в подвале красноярского Института биофизики провели 180-суточный
эксперимент с 3 испытателями. Стальной герметичный корпус 14×9 х 2,5 м в форме
прямоугольного параллелепипеда был разделен на равные герметичные отсеки. В двух из
которых — высшие растения, в другом — одноклеточные водоросли, а в последнем — три
комнаты, кухня-столовая, душ, туалет, входной шлюз и общее помещение, используемое как
лаборатория, мастерская и комната отдыха.
Водоросли и теплицы, где росли карликовая пшеница, соя, чуфа, морковь, редис, свекла,
картофель, огурцы, щавель, капуста, укроп и лук освещались УФ-лампами. Комплекс
оказался на 100% автономен по кислороду и воде и на 80% по пище. Помимо продуктов
собственного огородничества потенциальным космонавтам была положена стратегическая
тушенка. Большим недостатком оказалось отсутствие энергетической автономности — она
использовала 400 кВт внешней электроэнергии ежедневно.
Особую проблему представляли микроорганизмы. Конечно, были приняты меры по
устранению болезнетворных микробов, но трудность представляла сложная и плохо
изученная микрофлора почвы, в естественных условиях выполняющая функцию разложения
органических остатков. Поскольку эта микрофлора не поддавалась расчету, решено было
вовсе устранить почву, выращивая растения гидропонным способом (в воде).
Предполагалось, что в системе останутся лишь "постоянные спутники человека" –
микроорганизмы, обычно живущие в его организме и выполняющие некоторые важные
функции; их распространение вне организма не считалось опасным, и, как обнаружилось,
при расчетах ими можно было пренебречь.

24.

На одного человека в системе
приходилось 14 кв.м. площади растений,
что иллюстрирует возможности
"компактизации" сельского хозяйства при
использовании современных технологий.
На все работы по жизнеобеспечению
члены экипажа тратили в среднем два
часа в сутки. На долю каждого
приходились около 200 грамм зерна
(выпекался хлеб) и около 400 грамм
свежих овощей.
Продукты жизнедеятельности человека
подвергались минерализации и частично
поступали в культиваторы с хлореллой.
Бытовые стоки, образующиеся в
результате мытья и стирки, шли на полив
пшеницы и овощей. В качестве питьевой
воды использовался конденсат,
образующийся в фитотронах и
культиваторах хлореллы. Эта вода
предварительно пропускалась через
фильтры, содержащие ионообменные
смолы и активированный уголь.
Макет БИОС-3: 1 – жилая часть: три кабины для экипажа,
санитарно-гигиенический модуль, кухня-столовая; 2 – фитотроны с
высшими растениями: два с площадями посева 20 м2 в каждом; 3 –
водорослевый культиватор: три фотобиореактора объемом 20 л
каждый для выращивания Chlorella vulgaris.

25. Биосфера-2

"Биосфера-2» не проектировалась как реальный прототип космических систем
жизнеобеспечения, хотя рекламировали создаваемую систему, как прообраз будущих
поселений на других планетах. Предприятие финансировалось частными лицами и стоило
162 миллиона долларов.
Сооружение в пустыне Аризона имело высоту в 15 м и объем около миллиона куб.м (в три
тысячи раз больше "Биоса-3"). Сверху "Биосфера-2" накрыта металлической конструкцией
со стеклами, под землей – отделена от грунта листами нержавеющей стали. Эту систему не
удалось полностью изолировать: было 5 – 7% обмена с атмосферой. Растения в "Биосфере2" осуществляют фотосинтез за счет солнечного света. Поступающая солнечная энергия в
конце концов переходит в тепло. Для охлаждения в системе имеется огромный подземный
кондиционер, который также превращает в воду содержащийся в атмосфере водяной пар.
Чтобы оболочка системы не разрушалась при изменениях атмосферного давления, в
конструкции предусмотрен подвижный компенсатор разности давлений внутри и снаружи
оболочки.
Собраны типичные компоненты земной биосферы: тропический ("дождевой") лес, саванна,
океан с коралловым рифом, мелководное прибрежное море и агроферма. 8 бионавтов
и около 4 тысяч разнообразных представителей фаун, включая коз, свиней и кур, должны
были прожить под куполом 2 года на полном самообеспечении, за исключением
потребления электроэнергии. Для людей есть жилые помещения, аналитическая
лаборатория, пункты медицинской и ветеринарной помощи, оборудование для обработки
пищевых продуктов, мощная компьютерная система, хорошо оборудованная мастерская по
техническому обслуживанию и текущему ремонту, помещение для занятий физкультурой, а
также средства для видеосвязи.

26.

В "Биосфере-2" наблюдалось падение концентрации кислорода и повышение содержания
углекислого газа, что скорее всего было связано с непредсказуемой деятельностью
бактерий почвы. Хотя дважды закачивали извне кислород, в конце концов значительное
снижение концентрации кислорода сделало дальнейшее пребывание людей в системе
невозможным.
Произошли вспышки массового размножения некоторых сельскохозяйственных вредителей
(тараканов и моли), уничтоживших часть урожая.
В настоящее время дополнительным источником дохода являются туристы, их число
примерно 250 тыс/год. Каждый платит за посещение комплекса 10 долларов.

27. Марс-500

Проект Института медико-биологических проблем РАН имитировал пилотируемый полёт на
Марс с возвращением на Землю, который продлился 520 дней (3 июня 2010 года – 4 ноября
2011 года). На Марс «полетели» 6 добровольцев.
Во время эксперимента участники пили именные пробиотики, которые были выращены из
их собственной микрофлоры ещё до старта. Они помогали организму справляться с
вредоносными микроорганизмами, вызывающими проблемы с пищеварением. Душ – не
чаще чем раз в 10 дней, зато микробиологи обеспечили испытателей посеребрённым
бельем.