Jump to content

Корневой узелок

Упрощенная схема взаимоотношений растения и симбиотических бактерий (голубых) в корневых клубеньках.

Корневые клубеньки встречаются на корнях растений бобовых , прежде всего , образующих симбиоз с азотфиксирующими бактериями . [1] В условиях ограничения азота способные растения образуют симбиотические отношения со специфичным для хозяина штаммом бактерий, известным как ризобии . [2] Этот процесс неоднократно развивался у бобовых, а также у других видов семейства Rosid . [3] К бобовым культурам относятся фасоль , горох и соевые бобы .

В корневых клубеньках бобовых культурный азот (N 2 ) из атмосферы превращается в аммиак (NH 3 ), который затем усваивается в аминокислоты (строительные блоки белков), нуклеотиды (строительные блоки ДНК и РНК , а также важная энергетическая молекула АТФ ) и другие клеточные компоненты, такие как витамины , флавоны и гормоны . [ нужна ссылка ] Их способность фиксировать газообразный азот делает бобовые идеальными сельскохозяйственными организмами, поскольку их потребность в азотных удобрениях снижается. Действительно, высокое содержание азота блокирует развитие клубеньков, поскольку от формирования симбиоза растению нет никакой пользы. Энергия для расщепления газообразного азота в клубеньке поступает из сахара, который переносится из листа (продукт фотосинтеза ). Малат как продукт распада сахарозы является прямым источником углерода для бактероида. Фиксация азота в узле очень чувствительна к кислороду. Клубеньки бобовых содержат железосодержащий белок, называемый леггемоглобином , тесно связанным с миоглобином животных , который облегчает диффузию газообразного кислорода, используемого при дыхании.

Азот является наиболее часто ограничивающим питательным веществом в растениях. Бобовые используют азотфиксирующие бактерии, в частности симбиотические бактерии ризобии, в своих корневых клубеньках, чтобы противостоять этому ограничению. Бактерии-ризобии преобразуют газообразный азот (N 2 ) в аммиак (NH 3 ) в процессе, называемом азотфиксацией . Затем аммиак усваивается в нуклеотиды , аминокислоты , витамины и флавоны , которые необходимы для роста растения. Клетки корня растения преобразуют сахар в органические кислоты, которые затем взамен поступают в ризобии, отсюда и симбиотические отношения между ризобиями и бобовыми.

Семья бобовых

[ редактировать ]

Растения, которые способствуют фиксации N2, включают семейство бобовых Fabaceae – с такими таксонами, как кудзу , клевер , соевые бобы , люцерна , люпин , арахис и ройбуш . В клубеньках они содержат симбиотические бактерии, называемые ризобиями , которые производят соединения азота, которые помогают растению расти и конкурировать с другими растениями. Когда растение умирает, фиксированный азот высвобождается, делая его доступным для других растений, и это помогает удобрять почву . [4] [5] Подавляющее большинство бобовых имеют такую ​​связь, но некоторые роды (например, Styphnolobium ) ее не имеют. Во многих традиционных методах ведения сельского хозяйства на полях чередуются различные типы культур, в том числе культуры, состоящие в основном или полностью из бобовых культур, таких как клевер, чтобы воспользоваться этим.

Незерновые

[ редактировать ]

Хотя подавляющее большинство растений, способных образовывать азотфиксирующие корневые клубеньки, относятся к семейству бобовых Fabaceae , есть несколько исключений:

  • Актиноризные растения, такие как ольха и бейберри, могут образовывать (менее сложные) азотфиксирующие клубеньки благодаря симбиотической ассоциации с Frankia бактериями . Эти растения принадлежат к 25 родам, распределенным по 8 семействам растений. [6] По подсчетам 1998 г., он включает около 200 видов и обеспечивает примерно такую ​​же степень азотфиксации, как и ризобиальные симбиозы. Важным структурным отличием является то, что в этих симбиозах бактерии никогда не освобождаются из нити инфекции. [7]
  • Parasponia , тропический род Cannabaceae, также способен взаимодействовать с ризобиями и образовывать азотфиксирующие клубеньки. Поскольку родственные растения являются актиноризными, считается, что растение «поменяло партнера» в своей эволюции. [8]

Способность фиксировать азот в этих семьях присутствует далеко не повсеместно. Например, из 122 родов розоцветных только 4 рода способны фиксировать азот. Все эти семейства относятся к порядкам Cucurbitales , Fagales и Rosales , которые вместе с Fabales образуют азотфиксирующую кладу (NFC) евросид . В этой кладе Fabales были первой ответвленной линией; таким образом, способность фиксировать азот может быть плезиоморфной и впоследствии утрачиваться у большинства потомков исходного азотфиксирующего растения; однако возможно, что основные генетические и физиологические потребности присутствовали в зачаточном состоянии у последних общих предков всех этих растений, но развились до полной функции лишь у некоторых из них:

Семья: Генера

Betulaceae : Alnus (ольха)

Конопляные : Трема

Казуариновые :

Аллоказуарина
Казуарина
Сеутостома
Гимностома

......


Кориариевые : Кориария

Датисковые : Датиска

Элеагновые :

Элеагнус (серебряника)
Hippophae (облепиха)
Шефердия (буйволиная ягода)

......


Мирические :

Комптония (сладкий папоротник)
Морелла
Мирика (байберри)

......


Рамновые :

Цеанотус
Коллетия
Дискария
Кентротамнус
С Ретаном
Тальген
Тревоа

......


Розоцветные :

Церкокарпус (горное красное дерево)
Чамебатия (горные страдания)
Дриас
Пуршия /Кования (горькие кисти/клиффрозы)

Классификация

[ редактировать ]
Неопределенные клубеньки, растущие на корнях Medicago italica.

У бобовых описаны два основных типа клубеньков: детерминантный и индетерминантный. [9]

Детерминированные клубеньки встречаются на некоторых племенах тропических бобовых, например, родов Glycine (соевые бобы), Phaseolus (фасоль обыкновенная) и Vigna . и на некоторых бобовых умеренного пояса, таких как лотос . Эти детерминированные узелки теряют меристематическую активность вскоре после возникновения, поэтому рост происходит за счет расширения клеток, в результате чего образуются зрелые узелки, имеющие сферическую форму. Другой тип детерминированных клубеньков встречается у широкого спектра трав, кустарников и деревьев, таких как арахис ( арахис ). Они всегда связаны с пазухами боковых или придаточных корней и образуются в результате заражения через трещины, в которых выходят эти корни, без использования корневых волосков . Их внутреннее строение сильно отличается от клубеньков соевого типа. [10]

Неопределенные клубеньки встречаются у большинства бобовых всех трех подсемейств как в регионах с умеренным климатом, так и в тропиках. Их можно увидеть в бобовых Faboideae , таких как Pisum (горох), Medicago (люцерна), Trifolium (клевер) и Vicia (вика), а также во всех мимозоидных бобовых, таких как акация , и в немногих цезальпиниоидных бобовых с клубеньками, таких как горох куропатки . Они получили название «индетерминантные», потому что поддерживают активную апикальную меристему , которая производит новые клетки для роста в течение жизни узелка. В результате узелок имеет, как правило, цилиндрическую форму, которая может быть сильно разветвленной. [10] Поскольку неопределенные клубеньки активно растут, они образуют зоны, разграничивающие разные стадии развития/симбиоза: [11] [12] [13]

Схема, иллюстрирующая различные зоны неопределенного корневого узелка (см. текст).
  • Зона I — активная меристема . Здесь формируется новая ткань узла, которая позже дифференцируется в другие зоны узла.
  • Зона II – зона заражения . Эта зона пронизана инфекционными нитями, полными бактерий. Растительные клетки крупнее, чем в предыдущей зоне, и деление клеток прекращается.
    • Межзона II–III — здесь бактерии проникли в растительные клетки, содержащие амилопласты . Они удлиняются и начинают окончательно дифференцироваться в симбиотические азотфиксирующие бактероиды .
  • Зона III — зона азотфиксации . Каждая клетка в этой зоне содержит большую центральную вакуоль , а цитоплазма заполнена полностью дифференцированными бактероидами, активно фиксирующими азот . Растение снабжает эти клетки леггемоглобином , в результате чего они приобретают отчетливый розовый цвет.
  • Зона IV – зона старения . Здесь происходит разложение растительных клеток и их бактероидного содержимого. Распад гемового компонента легоглобина приводит к видимому зеленению у основания узелка.

Это наиболее широко изученный тип клубеньков, но детали совершенно различны у арахиса и его родственников, а также у некоторых других важных культур, таких как люпин, у которых клубеньки образуются в результате прямого заражения ризобиями через эпидермис и где инфекционные нити никогда не образуются. . Вокруг корня растут узелки, образующие воротниковидную структуру. В этих клубеньках и в типе арахиса центральная инфицированная ткань однородна, в ней отсутствуют неинфицированные клетки, наблюдаемые в клубеньках сои и многих неопределенных типов, таких как горох и клевер.

Корневой клубень ольхи
Разрезанный корневой клубень ольхи
Секционированный
Целый корневой клубень ольхи
Весь

Узелки актиноризного типа представляют собой заметно отличающиеся структуры, встречающиеся у небобовых растений. При этом типе клетки, происходящие из коры корня, образуют инфицированную ткань, а предклубеньк становится частью зрелого клубенька. Несмотря на это, казалось бы, существенное различие, такие клубеньки у бобовых можно получить в результате единственной гомеотической мутации. [14]

Поперечный разрез корневого узелка сои . Бактерия Bradyrhizobium japonicum колонизирует корни и устанавливает азотфиксирующий симбиоз. На этом изображении с большим увеличением показана часть клетки с одиночными бактероидами внутри симбиосом . На этом изображении можно увидеть эндоплазматический ретикулум, диктисому и клеточную стенку.
Азотфиксирующие клубеньки на корне клевера.

Бобовые выделяют из своих корней органические соединения в виде вторичных метаболитов , называемых флавоноидами , которые привлекают к себе ризобии, а также активируют nod- гены в бактериях, производя nod-факторы и инициируя образование клубеньков. [15] [16] Эти завивание корней факторы вызывают волос . Завивка начинается с того, что самый кончик корневого волоска завивается вокруг ризобия . Внутри кончика корня образуется небольшая трубочка, называемая инфекционной нитью, которая обеспечивает путь для проникновения ризобий в клетки эпидермиса корня, в то время как корневые волосы продолжают скручиваться. [17]

Частичного завивки можно добиться даже одним лишь фактором кивка . [16] Это было продемонстрировано путем выделения no -факторов и их применения к частям корневых волос. Корневые волоски скручивались в направлении нанесения, демонстрируя действие корневых волос, пытающихся обвиться вокруг бактерии. Даже нанесение на боковые корни вызывало скручивание. Это продемонстрировало, что именно фактор кивка , а не бактерия, вызывает стимуляцию завивки. [16]

Когда корень ощущает фактор кивка, происходит ряд биохимических и морфологических изменений: в корне запускается деление клеток , образуя узелок, а рост корневых волосков перенаправляется так, что несколько раз обвивает бактерии, пока они полностью не инкапсулируют одну из них. или более бактерий. Инкапсулированные бактерии многократно делятся, образуя микроколонии . Из этой микроколонии бактерии попадают в развивающийся узелок через инфекционную нить, которая прорастает через корневой волос в базальную часть клетки эпидермиса и далее в кору корня ; затем они окружаются симбиосомной мембраной растительного происхождения и дифференцируются в бактероиды, фиксирующие азот . [18]

Эффективное образование клубеньков происходит примерно через четыре недели после посадки культуры , при этом размер и форма клубеньков зависят от культуры. Такие культуры, как соя или арахис, будут иметь более крупные клубеньки, чем кормовые бобовые культуры, такие как красный клевер или люцерна, поскольку их потребность в азоте выше. Количество клубеньков и их внутренний цвет будут указывать на состояние фиксации азота в растении. [19]

Клубенькование контролируется множеством процессов, как внешних (жара, кислые почвы, засуха, нитраты), так и внутренних (ауторегуляция клубенькования, этилен). Ауторегуляция узелкового процесса [20] контролирует количество клубеньков на растении посредством системного процесса, затрагивающего лист. Ткань листа воспринимает ранние события клубеньков в корне посредством неизвестного химического сигнала, а затем ограничивает дальнейшее развитие клубеньков во вновь развивающейся ткани корня. Киназы рецептора богатых лейцином повторов (LRR) (NARK в соевых бобах ( Glycine max ); HAR1 в Lotus japonicus , SUNN в Medicago truncatula ) необходимы для ауторегуляции клубеньков (AON). Мутация, приводящая к потере функции этих киназ рецептора AON, приводит к супернодуляции или гипернодуляции. Часто нарушения роста корней сопровождают потерю киназной активности рецептора AON, что позволяет предположить, что рост клубеньков и развитие корней функционально связаны. Исследования механизмов образования клубеньков показали, что ген ENOD40 , кодирующий белок из 12–13 аминокислот [41], активируется во время образования клубеньков [3].

Подключение к корневой структуре

[ редактировать ]

Корневые клубеньки, по-видимому, развивались трижды внутри семейства Fabaceae , но редко встречаются за пределами этого семейства. Склонность этих растений к образованию корневых клубеньков, по-видимому, связана со структурой их корней. В частности, тенденция к развитию боковых корней в ответ на абсцизовую кислоту может способствовать более позднему развитию корневых клубеньков. [21]

Узелкообразные структуры

[ редактировать ]

Некоторые грибы узелковые структуры, известные как бугорчатая эктомикориза образуют на корнях своих растений-хозяев . Suillus tomentosus , например, производит эти структуры с помощью растения-хозяина сосны ложчатой ​​( Pinus contorta var. latifolia ). В свою очередь, было показано, что в этих структурах обитают азотфиксирующие бактерии , которые вносят значительное количество азота и позволяют соснам колонизировать участки с низким содержанием питательных веществ. [22]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Вагнер, Стивен К. (2011). «Биологическая фиксация азота» . Знания о природном образовании . 3 (10): 15.
  2. ^ Ван, Ци; Ян, Шэнмин (2017). «Секретируемый хозяином антимикробный пептид усиливает симбиотическую селективность у Medicago truncatula » . ПНАС . 114 (26): 6854–6859. Бибкод : 2017PNAS..114.6854W . дои : 10.1073/pnas.1700715114 . ПМЦ   5495241 . ПМИД   28607058 .
  3. ^ Дойл, Джефф Дж.; Лакоу, Мелисса А. (2003). «Остальная часть айсберга. Разнообразие и эволюция бобовых в филогенетическом контексте» . Физиология растений . 131 (3): 900–910. дои : 10.1104/стр.102.018150 . ISSN   1532-2548 . ПМК   1540290 . ПМИД   12644643 .
  4. ^ Постгейт, Джон (1998). Азотфиксация (3-е изд.). Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521648530 .
  5. ^ Смиль, Вацлав (2000). Циклы жизни: цивилизация и биосфера . Научная американская библиотека. ISBN  9780716750796 .
  6. ^ Доусон, Дж. О. (2008). «Экология актиноризных растений». Азотфиксирующие актиноризные симбиозы . Фиксация азота: происхождение, применение и прогресс исследований. Том. 6. Спрингер. стр. 199–234. дои : 10.1007/978-1-4020-3547-0_8 . ISBN  978-1-4020-3540-1 . S2CID   85913801 .
  7. ^ Дойл, Джефф Дж. (1998). «Филогенетические взгляды на клубеньки: развивающиеся взгляды на растения и симбиотические бактерии» . Тенденции в науке о растениях . 3 (12): 473–778. дои : 10.1016/S1360-1385(98)01340-5 .
  8. ^ Оп-ден-Кэмп, Рик; Стренг, Аренд; Де Мита, Стефан; Цао, Цинцинь; Полоне, Элиза; Лю, Вэй; Аммираджу, пристань СС; Кудрна, Дэйв; Крыло, Род; Унтергассер, Андреас; Бисселинг, Тон; Гертс, Рене (18 февраля 2011 г.). «Микоризный рецептор LysM-типа, задействованный в симбиозе ризобий у небобовых параспоний » . Наука . 331 (6019): 909–912. Бибкод : 2011Sci...331..909O . дои : 10.1126/science.1198181 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   21205637 . S2CID   20501765 .
  9. ^ Креспи, Мартин; Гальвес, Сусана (1 июня 2000 г.). «Молекулярные механизмы развития корневых клубеньков». Журнал регулирования роста растений . 19 (2): 155–166. дои : 10.1007/s003440000023 . ISSN   1435-8107 . ПМИД   11038225 . S2CID   22216527 .
  10. ^ Jump up to: а б Срент, Джанет И. (2009). Клубенькование бобовых: глобальная перспектива . Уайли-Блэквелл. дои : 10.1002/9781444316384 . ISBN  9781444316384 .
  11. ^ Фуше, Фабрис; Кондороси, Ева (1 августа 2000 г.). «Регуляция клеточного цикла в ходе органогенеза клубеньков Medicago ». Молекулярная биология растений . 43 (5): 773–786. дои : 10.1023/А:1006405029600 . ISSN   1573-5028 . ПМИД   11089876 . S2CID   11658948 .
  12. ^ Монахан-Джованелли, Ханна; Пинедо, Каталина Аранго; Гейдж, Дэниел Дж. (2006). «Архитектура сетей инфекционных нитей при развитии корневых клубеньков, индуцированных симбиотической бактерией Sinorhizobium meliloti на Medicago truncatula » . Физиология растений . 140 (2): 661–670. дои : 10.1104/стр.105.072876 . ПМЦ   1361332 . ПМИД   16384905 .
  13. ^ Ван де Вельде, Виллем; Герра, Хуан Карлос Перес; Кейзер, Анник Де; Де Райк, Рит; Ромбо, Стефан; Монури, Николас; Мергерт, Питер; Кондороси, Ева; Кобуры, Марсель; Гурмахтиг, Софи (28 апреля 2006 г.). «Старение при симбиозе бобовых. Молекулярный взгляд на старение клубеньков у Medicago truncatula » . Физиология растений . 141 (2): 711–720. дои : 10.1104/стр.106.078691 . ISSN   1532-2548 . ПМЦ   1475454 . ПМИД   16648219 .
  14. ^ Шен, Дефэн; Сяо, Тин Тин; ван Вельзен, Робин; Куликова, Ольга; Гун, Сяоюнь; Гертс, Рене; Павловский, Катарина; Бисселинг, Тон (июнь 2020 г.). «Гомеотическая мутация превращает онтогенез клубеньков бобовых в онтогенез актиноризного типа» . Растительная клетка . 32 (6): 1868–1885. дои : 10.1105/tpc.19.00739 . ПМЦ   7268803 . ПМИД   32276984 .
  15. ^ Экардт, Нэнси А. (июнь 2006 г.). «Роль флавоноидов в развитии корневых клубеньков и транспорте ауксина у Medicago truncatula» . Растительная клетка . 18 (7): 1539–1540. дои : 10.1105/tpc.106.044768 . ПМК   1488913 .
  16. ^ Jump up to: а б с Эсселинг, Джон Дж.; Люасье, Франк GP; Эмонс, Энн Ми К. (август 2003 г.). «Завивка корневых волос, вызванная Nod Factor: непрерывный полярный рост к точке применения Nod Factor» . Физиология растений . 132 (4): 1982–1988. дои : 10.1104/стр.103.021634 . ISSN   1532-2548 . ПМК   181283 . ПМИД   12913154 .
  17. ^ Слончевски, Джоан; Фостер, Джон Уоткинс (2017). Микробиология: развивающаяся наука (Четвертое изд.). Нью-Йорк. ISBN  978-0393614039 . OCLC   951925510 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  18. ^ Мергерт, П.; Утиуми, Т.; Алунни, Б.; Эванно, Г.; Черон, А.; Катрис, О.; и др. (2006). «Эукариотический контроль бактериального клеточного цикла и дифференцировки в симбиозе ризобий-бобовых» . ПНАС . 103 (13): 5230–35. Бибкод : 2006PNAS..103.5230M . дои : 10.1073/pnas.0600912103 . ISSN   1091-6490 . ПМЦ   1458823 . ПМИД   16547129 . Онлайн.
  19. ^ Аджей, М.Б. «Азотфиксация и инокуляция кормовых бобовых» (PDF) . Университет Флориды . Архивировано из оригинала (PDF) 2 декабря 2016 года . Проверено 1 декабря 2016 г.
  20. ^ Рид, Делавэр; Фергюсон, Би Джей; Хаяши, С; Лин, Ю.Х.; Грессхофф, премьер-министр (октябрь 2011 г.). «Молекулярные механизмы, контролирующие ауторегуляцию клубеньков в бобовых» . Анналы ботаники . 108 (5): 789–95. дои : 10.1093/aob/mcr205 . ПМК   3177682 . ПМИД   21856632 .
  21. ^ Лян, Ян; Харрис, Жанна М. (2005). «Реакция разветвления корней на абсцизовую кислоту коррелирует с образованием клубеньков как у бобовых, так и у небобовых растений» . Американский журнал ботаники . 92 (10): 1675–1683. дои : 10.3732/ajb.92.10.1675 . ISSN   0002-9122 . ПМИД   21646084 .
  22. ^ Пол, ЛР; Чепмен, БК; Чанвей, CP (2007). «Азотфиксация, связанная с Suillus tomentosus Tuberculate Ectomycorizae на Pinus contorta var. latifolia » . Анналы ботаники . 99 (6): 1101–1109. дои : 10.1093/aob/mcm061 . ПМЦ   3243579 . ПМИД   17468111 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 1456c418ee14ec5ab9e4a04eac06d2eb__1717665300
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/14/eb/1456c418ee14ec5ab9e4a04eac06d2eb.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Root nodule - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)