Какую пользу могут получать растения от бактерий
Наука биология, изучающая жизнь на Земле, не прекращает удивлять своих адептов. Она все детальнее раскрывает сложные структурные уровни взаимоотношений разных проявлений жизни друг с другом и с окружающей средой. Одним из многообещающих направлений в понимании того, какую роль играют прокариоты (бактерии) в жизни макроорганизмов, является изучение присутствия бактерий в клеточной жизни растений.
Установление присутствия
Несмотря на почтенный возраст самой науки биологии, микробиологи только в конце 19-го века смогли выявить некоторые характеристики совместной жизни бактерий и растений. Лишь затем, с появлением электронных микроскопов, были установлены механизмы тех связей, существование которых только констатировалось при изучении организмов более примитивными инструментами.
Сегодня биология имеет сведения о следующих видах взаимодействия бактерий и растений:
- мутуализм (роль, которая отведена бактериям и растениям в этом взаимовыгодном симбиозе – помогать друг другу);
- паразитизм (значение и роль симбионтов в таком союзе негативная: симбионт-паразит вредит симбионту-хозяину; в подавляющем большинстве известных случаев паразитами являются бактерии);
- комменсализм (бактерии или грибы получают питание от хозяина-растения, при этом самому хозяину в результате такого питания ущерб не причиняется).
Подробнее можно увидеть классификацию в таблице.
Кроме разделения по характеру полезности, симбиозы растений с прокариотами могут находиться вне клеток растений (экзосимбиозы) или с поражением эукариотических растительных клеток (эндосимбиозы).
Мутуализм
Первые описания мутуализма биология получила в результате исследований голландского ботаника Бейеринка, проведенных в 1888 году. Он изучал клубеньки бобовых растений, природой которых биология интересовалась, начиная с 17-го века. В процессе изучения брались стерильные семена бобовых растений и проращивались в контролируемых условиях. Одни семена в процессе жизни обрабатывались чистыми культурами бактерий (специально разведенными в лабораторных условиях штаммами), выделенных из клубеньков, другие – не обрабатывались.
В результате эксперимента обработанные жидкостью с содержанием бактерий бобовые имели на своих корнях характерные клубеньки, а необработанные – не имели. Так было установлено, что присутствие бактерий имеет значение в формировании и жизни корневой системы бобовых.
Польза симбиоза устанавливалась гораздо дольше, и на сегодняшний день биология имеет следующее описание процесса этого полезного взаимодействия:
- У каждого вида бобовых растений есть свои персональные бактерии-симбионты (у клевера – свои, у гороха – свои, у бобов – свои). Такая персонификация имеет значение при взаимодействии белков (лектинов) корневых волосков растения с углеводами клеточной мембраны бактерий. Белки каждого вида бобовых имеют свои отличительные особенности. Именно поэтому требуются разные углеводы в бактериальных клеточных мембранах для успешной совместной жизни.
- В процессе прорастания семян растений, в ризосфере (область почвы возле корней) накапливаются органические питательные вещества, которые выделяют корни в грунт в процессе своего роста. Привлеченные этой органикой бактерии взаимодействуют с корневыми волосками растений и через них проникают в эукариотические клетки корней бобовых.
- С момента проникновения бактерий в ткани корня, в корневых клетках начинают вырабатываться особые белки – флавоноиды (учеными определена главенствующая роль флавоноидов в формировании окраски растений). В ответ на увеличение количества флавоноидов бактерия начинает вырабатывать белки, отвечающие за согласованность действий бактериальной клетки и корневой клетки.
- Действуя согласованно, прокариотические и эукариотические клетки образуют в полости корня бобового трубку, в которой и разрастается бактериальная колония.
- В процесс симбиоза бактерии избавляют эукариотические клетки от избытка кислорода и фиксируют азот из атмосферы в клубеньках корневой системы. Атмосферный азот фиксируется только в этих симбиотических образованиях за счет синтеза в них защитного белка – леггемоглобина.
Большую роль такая совместная жизнь играет в сельском хозяйстве как единственный природный способ обогатить сельхозугодия азотом.
В полезном сотрудничестве с растениями задействованы не только бактерии, но и эукариоты – грибы. Причем механизм взаимодействия очень похож. Грибы в процессе жизни образовывают в корнях растений мицелий (грибницу), которая играет активную роль в обеспечении и растения и грибов фосфором и органикой из почвы. Такой симбиоз грибов и растений называется микориза.
Паразитизм
Биология знает виды организмов, ведущих паразитический образ жизни в таких царствах, как царство грибов, царство растений, царство животных и, конечно же, царство бактерий.
Паразит использует хозяина как источник пищи, тем самым причиняя ему серьезный вред, вплоть до летального исхода. Процессы, которые сопровождают взаимодействие паразита с хозяином, называется патогенным. Степень опасности этих процессов для организма хозяина обозначается словом вирулентность (она бывает высокая, средняя и низкая) и зависит от количества бактерий-патогенов, способных вызвать опасность для жизни организма-хозяина. Чем их меньше, тем вирулентность выше.
В установлении взаимодействия бактерий-фитопаразитов с клетками растений основную роль играют два фактора:
- адгезия (специфические свойства бактерий, позволяющие прилипать к клеткам растений);
- действие ферментов гидролаз (белков, ускоряющий химические реакции), которые разрушают стенки эукариотических клеток.
Этими двумя свойствами обладают паразиты, живущие не только за счет растений, но и за счет грибов и животных.
По воздействию на организмы хозяев, как растений, так и животных, и грибов, деятельность бактерий-паразитов характеризуется выработкой токсинов (ядов). Бактерии могут продуцировать токсины в окружающую среду (экзотоксины) или накапливать яды внутри своей клетки, отравляя организм хозяина только после своей смерти.
Биология дала материал для изучения токсинов, влияющих на жизнь и здоровье растений. В биологии известно влияние бактериальных токсинов на растения. Они вызывают:
- увядание в результате закупорки проводящих сосудов;
- разрушение ткани (гниль);
- некрозы (порча листьев);
- опухоли (гипертрофии) в результате неправильного формирования тканей растения.
Комменсализм
Биология знает достаточно примеров комменсализма. В основном это использование организмами-комменсалами поверхностей других организмов для укрытия либо для перемещения в пространстве. При комменсализме одному участнику такие взаимоотношения выгодны, а другому – безразличны.
Широко в природе распространены комменсалы-грибы. В основном грибы сотрудничают с насекомыми, которые имеют возможность разнести на своих конечностях грибные споры. Также известны грибы, которые выступают в качестве стороны, создающей условия для успешного существования организма-комменсала. Так, грибы, разрушающие древесину, создают условия (труху) для развития личинок некоторых видов насекомых.
Взаимодействие растений и бактерий не очень богато случаями комменсализма. Даже если они и происходят, то носят эпизодический характер и не являются стратегией выживания.
Работаю врачом ветеринарной медицины. Увлекаюсь бальными танцами, спортом и йогой. В приоритет ставлю личностное развитие и освоение духовных практик. Любимые темы: ветеринария, биология, строительство, ремонт, путешествия. Табу: юриспруденция, политика, IT-технологии и компьютерные игры.
Какие бактерии помогают повысить плодородие почвы?
И одним из этих факторов является почвенная биота — все то огромное количество бактерий, грибов, водорослей, играющих роли лаборантов, реактивов и катализаторов в потрясающей природной лаборатории. Их численность в хорошо окультуренной почве может достигать нескольких миллиардов в 1 г субстрата, а общая масса — до 10 т/га.
Практическим результатом исследований и научных работ в области почвенной микробиологии становится направленное функционирование микроорганизмов для повышения почвенного плодородия. Под микроорганизмами мы часто подразумеваем бактерии, хотя грибы и низшие растения также несут на себе очень важную роль в обеспечении биологической активности почвы. Какие же полезные бактерии чаще всего становятся объектами пристального внимания ученых, разработчиков и технологов? Познакомимся с ними поближе.
Познакомимся с полезными почвенными бактериями поближе
Защищает растения от многих болезней
Bacillus subtilis — удивительная бактерия. Многие сталкивались с ее другим названием — сенная палочка. Именно ее создатель теории панспермии Фрэнсис Крик пророчил в «семена жизни» из-за очень устойчивых спор. Эту бактерию можно встретить в воде, воздухе и почве. Она необыкновенно способна к адаптации в меняющихся условиях. Данная особенность получила объяснение, когда ученые расшифровали геном B. subtilis. Во время исследований был обнаружен большой набор транспортных белков, свидетельствующих о гибкости взаимодействия этой бактерии с окружающей средой.
Эта полезная бактерия — настоящая труженица, она способна синтезировать более 70 антибиотиков. Действие многих из них направлено против возбудителей опасных болезней растений. Поэтому B. subtilis охотно используют в качестве основного компонента микробиологических препаратов для обработки садовых растений.
Сенная палочка входит в состав многих микробиологических препаратов, применяемых против болезней растений
Здесь надо отметить, что разные штаммы этой бактерии работают с различной эффективностью при, казалось бы, одинаковых условиях. И наоборот, один и тот же штамм при отличающихся друг от друга условиях может с большим или меньшим успехом бороться с растительной инфекцией. Вот почему разработчики препаратов указывают определенный регламент их применения. Он может сильно различаться у препаратов отдельных производителей, хотя в основе каждого из них лежит все та же Bacillus subtilis.
В последнее время в самых современных препаратах используют отдельные элементы B. subtilis в качестве так называемых элиситоров — веществ, способных вызвать иммунный отклик у растений. После обработки такими препаратами растение готово к встрече с настоящим патогеном, то есть приобретает определенную устойчивость.
Несмотря на свою популярность среди ученых и растениеводов, B. subtilis еще не открыла людям всех своих возможностей. Поэтому исследования ее самой и биологически активных веществ, которые она образует за время своей жизни, продолжаются до сих пор.
Подавляют фитопатогены и стимулируют рост
Среди бактерий рода Pseudomonas есть вредные микроорганизмы, которые вызывают серьезные заболевания растений. Однако есть у этого рода и полезные для нас представители — это сапротрофные бактерии, заселяющие в почве прикорневую зону и являющиеся естественными регуляторами фитопатогенных микроорганизмов. К ним относятся Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas putida, Pseudomonas aureofaciens.
Сапротрофные бактерии заселяют прикорневую зону
Pseudomonas fluorescens вырабатывают антибиотики и бактериоцины. Бактериоцинами называются специфические белки, подавляющие жизнедеятельность клеток других штаммов того же вида или родственных видов бактерий. Поэтому P. fluorescens используют для борьбы с патогенными бактериями рода Pseudomonas, а также другими возбудителями заболеваний.
P. fluorescens также вырабатывают стимуляторы роста. Именно благодаря наличию в корневой зоне растений этих бактерий в нейтральных или слабощелочных почвах идут процессы подавления или вытеснения вредных микроорганизмов, способных вызывать болезни растений. Ученые называют такие почвы обладающими супрессивностью.
Новый отечественный биопрепарат «Атлант» поможет вашим растениям быть сильными и здоровыми, а вам — наслаждаться полезным экологически чистым урожаем.
Использование биопрепарата «Атлант» способствует формированию правильного биоценоза микроорганизмов в корневой и прикорневой зоне растения; угнетению фитопатогенов и вытеснению патогенной микрофлоры; повышению плодородия почвы, обогащению ее азотом и фосфором; предотвращению листовых и стеблевых заболеваний; образованию биохимических соединений, стимулирующих собственный иммунитет растений; значительному увеличению урожая. Препарат производится в двух видах.
«Атлант. Здоровье растений и почвы» представляет собой сухой порошок, которым опудривают посадочный материал и семена перед посевом; также его вносят в грунт перед посадкой с дальнейшим заделыванием в почву.
«Атлант. Питание и рост» — это порошок для приготовления водного раствора, который применяют для замачивания посадочного материала перед посадкой, а также для корневой подкормки (полива) рассады и растений в период вегетации.
«Атлант» — сила растений и ваше здоровье!
Избавляет растения от стресса, обогащает азотом и способствует самоочищению почв
Azotobacter chroococcum впервые была описана в 1901 году. Эта бактерия — свободноживущий азотфиксатор. Нет азота — нет белка, нет хлорофилла; собственно, нет растений. Кроме того, A. chroococcum синтезирует различные фитогормоны, в том числе ауксины, соответственно — является природным производителем стимуляторов роста растений.
Выделяет A. chroococcum и экзополисахариды. Эти интереснейшие вещества выполняют много функций. Одна из них — способность мобилизации тяжелых металлов в почве. Наличие этой бактерии в почвенном слое способствует самоочищению земли, загрязненной тяжелыми металлами — кадмием, ртутью, свинцом. Надо отметить, что способность к самоочищению является одним из двух показателей здоровой почвы (второй такой показатель — уже упомянутая нами супрессивность).
Удобрения, содержащие Azotobacter chroococum, помогают растениям справиться со стрессом
Также экзополисахариды в значительной степени влияют на возможность растений восстанавливаться после стрессов — негативных природных явлений, химических ожогов и т.д. Неудивительно, что A. chroococcum применяется не только в качестве одной из основных составляющих микробиологических удобрений (активаторов), но и как часть инновационных антистрессовых программ, разработанных для поддержки и восстановления растений после гербицидных ожогов, заморозков, повреждения градом и т.д.
Мобилизует фосфор и делает его доступным
Обмен веществ в растениях в значительной степени зависит от фосфора. При его недостатке азот не включается в состав белков и нуклеиновых кислот (носителей генетической информации) растений, а накапливается в виде нитритов и нитратов. У природы есть свои способы предотвращать подобные негативные последствия, а именно наличие в почве бактерий-фосформобилизаторов. Яркой представительницей этой группы считается Bacillus megaterium. Она высвобождает фосфор из органики и преобразует его в растворимые соли фосфорной кислоты. Очевидно, что Bacillus megaterium играет важную роль в синергетическом взаимодействии органических и микробиологических удобрений.
Если фосфор будет усваиваться растениями в необходимом количестве, то в плодах не будут копиться нитриты и нитраты
Bacillus megaterium вырабатывает ряд биологически активных веществ, среди которых особое место занимают витамины В1, В3, В5, В6, В7, В12. Поэтому B. megaterium зачастую включают в микробиологические удобрения, которыми обрабатывают семена, они благоприятно действуют на первых этапах развития растений.
Стимулирует развитие полезной микробной флоры
Еще одна бактерия известна своей полезной деятельностью человечеству с незапамятных времен. Не зная вообще о существовании таких микроскопических существ, как бактерии, люди вовсю пользовались результатами труда Lactococcus lactis. Это наиболее типичный представитель молочнокислых бактерий. С его помощью осуществляется приготовление теста, какао, некоторых молочных продуктов, заготовка овощных консервов и даже силоса для домашних животных.
А в природе L. lactis стимулирует развитие естественной микробной флоры. Включаемая в состав микробиологических препаратов, бактерия играет важную роль — помогает добрососедским отношениям остальных микроорганизмов, входящих в их состав.
Lactococcus lactis стимулирует развитие естественной микробной флоры в почве
Выводы о пользе бактерий
К сожалению, невозможно в формате одной статьи упомянуть все микроорганизмы, которые выполняют важнейшие функции, необходимые для нормального существования почвы и растений. Давайте резюмируем, для чего вообще нужны почве и растениям полезные бактерии.
- Полезные бактерии участвуют во множестве химических реакций и процессов, происходящих в почве, повышая ее биологическую активность.
- В процессе жизнедеятельности они участвуют в гумусообразовании, то есть в создании органического вещества.
- Делают почву здоровой, позволяют ей контролировать численность фитопатогенных микроорганизмов и самоочищаться от вредных примесей.
- Налаживают сбалансированное питание растений, обеспечивают их доступными формами макроэлементов.
- Защищают и стимулируют растения на стадии проростков.
- Стимулируют корнеобразование растений и защищают корневую систему от болезнетворных бактерий и грибов.
- Повышают устойчивость растений к болезням и неблагоприятным факторам окружающей среды.
Услышав что-нибудь о бактериях, человек начинает представлять нечто вредное для здоровья. У многих бактерии ассоциируются исключительно с грязными руками или заболеваниями. Однако без этих организмов невозможно представить полноценное функционирование живой природы и ее составляющих – растений, животных, грибов, ведь бактерии играют свою исключительную роль.
Роль почвенных бактерий
Суть
Бактерии – это самые древние обитатели планеты Земля. Согласно исследованиям ученых, они являются первыми живыми организмами. Еще три с половиной миллиарда лет назад Землю населяли исключительно бактерии. Затем уже появились привычные для человека растения и животные.
Первые микроорганизмы имели весьма упрощенную структуру. Хотя по сей день представители некоторых их групп не развились под влиянием эволюции. Такую тенденцию можно увидеть на примере бактерий, которые населяют ил рек и озер, а также серные источники.
Если человек, не имеющий отношения к науке, увидит представителей многих видов групп бактерий, он обратит внимание на их яркий окрас.
Форма
В живой природе обитают бактерии самой разнообразной формы:
- Кокки имеют форму шара.
- Бациллы по внешнему виду напоминают палку.
- Вибрионы круглые, с небольшим отростком.
- Спириллы получили свое название из-за формы спирали.
- Стрептококки соединены в цепочку.
- Стафилококки подобны гроздям винограда.
- Диплококки обитают в виде пар.
Передвижение
Все группы бактерий можно классифицировать в зависимости от их подвижности. В природе передвигающиеся микроорганизмы совершают движения с помощью жгутиков, представляющих закрученные нити. Некоторые бактерии сокращаются, что является толчком к их передвижению. Также организмы могут скользить. В этом им помогает наружный слой слизи.
Где они обитают
Бактерии имеют примитивную структуру, чем и объясняется их высокий уровень приспособляемости к условиям окружающей среды. Если задаться целью, эти живые организмы можно обнаружить везде – в подземных водах, грунте, песке и в источниках полезных ископаемых. Микроорганизмы ведут жизнедеятельность на поверхности растений, в организме человека и животных.
Если анализировать жизнеспособность всех существ живой природы, бактерии можно смело назвать самыми стойкими, ведь они приспосабливаются как к экстремально низким, так и высоким температурам, которые фиксируются в природе.
Как они питаются
Все бактерии, известные в природе, можно условно разделить на группы в зависимости от способа питания. Живые организмы, которые самостоятельно производят питательные вещества, именуются автотрофами. Организмы, питающиеся готовыми веществами, взятыми из окружающей среды, относят к гетеротрофам. Категорию гетеротрофов можно условно разделить на:
- сапрофиты;
- паразиты;
- симбионты.
Сапрофиты в природе питаются продуктами разложения. Они направляют свои ферменты в гниль или мертвечину, после чего поглощают растворенный в ферментах продукт.
Симбионты поселяются на других живых организмах и создают благоприятное сосуществование. Такие бактерии участвуют в формировании корневой системы некоторых растений, а последние, в свою очередь, являются источником углеводов для микроорганизмов.
Организмы-паразиты обитают на других живых организмах (растениях, животных, грибах). Но такое сосуществование вредит организму, который заселен бактериями.
Распространение в природе
Эти микроорганизмы играют важную роль в природных процессах. Они являются неотъемлемым звеном циркуляции различных веществ в природе. Все виды растений в процессе фотосинтеза продуцируют воду, углекислый газ и минеральные соли, которые попадают обратно в почву с останками животных, грибов и растительным перегноем. Самые примитивные формы жизни играют важную роль в разложении мертвой органики, превращая ее со сложного вещества в простое. Таким образом создается питание для растений.
Если бы не было примитивных форм жизни, планета Земля и ее природа за считанные годы превратилась бы в огромную свалку из мертвых растений, животных и людей.
Микроорганизмы играют важную роль в формировании грунта, без которого не могут существовать различные растения, в том числе и те, которые употребляются в пищу людьми и животными. Для образования грунта необходимы мертвые частицы листьев, которые ежегодно опадают осенью. Примитивные формы жизни участвуют в процессе их распада. Особенно высока концентрация сапрофитов в почве лесов с лиственными и хвойными растениями. Микроорганизмы перерабатывают перегной в минералы, необходимые для жизнедеятельности растительных организмов.
Вода
Вода – это среда природы, условия которой являются благоприятными для жизнедеятельности и развития разных групп бактерий. Чем больше питательных веществ в воде, тем выше концентрация микроорганизмов в ней. Простые формы жизни селятся преимущественно в реках и озерах, особенно в их прибрежных зонах. По мере увеличения глубины водоемов концентрация бактерий снижается. Самая высокая концентрация разных групп микроорганизмов обнаружена в иле.
Микробы являются природными очистителями водоемов, так как участвуют в разрушении органического мусора, попавшего в воду. Однако бывает и в корне противоположное явление в природе – микроорганизмы провоцируют цветение водоема. Такая ситуация угрожающая для живых организмов (рыбы, растений, моллюсков), проживающих в воде.
Воздух
В воздушной среде фиксируется меньшая концентрация микроорганизмов, так как они не получают здесь необходимых для жизнедеятельности веществ. Чем чище воздух, тем меньше в нем бактерий, особенно это касается загородной и лесистой местности.
Микроорганизмы перемещаются в толще воздуха на пылинках. Поэтому высокая их концентрация наблюдается в зонах развитой промышленности.
Человек
Человеческий организм не может быть стерильным. В противном случае в нем не будут происходить жизненно важные процессы, к примеру, переваривание пищи. Наивысшая концентрация полезных микробов наблюдается в кишечнике, ротовой полости, на кожных покровах и половых органах. В нормально функционирующем желудке, печени, мозге, сердце, легких микроорганизмов нет. Однако их появление может обуславливаться некоторыми инфекционными заболеваниями.
При дефиците полезных микроорганизмов организм человека сталкивается с таким заболеванием, как дисбактериоз.
Химия
Микроорганизмы участвуют во многих химических реакциях, происходящих в живой природе. Бактерии участвуют в круговороте следующих веществ:
- азота;
- углерода;
- серы;
- железа.
Благодаря микроорганизмам, участвующим в молочном брожении, человечество знает такие продукты питания, как сыр, творог, кефир, йогурт.
Примечательным является то, что на жизнедеятельность самых простых форм жизни не могут повлиять даже атомные взрывы и ядерная зима.
Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.