Клубеньковые бактерии и их роль в азотистом обмене

 

Следует также отметить, что  в отдельных случаях инфицированию  подвергаются неискривленные корневые волоски. Наблюдения показывают, что у люцерны и гороха искривляются и закручиваются 60-70% корневых волосков, а у клевера - около 50%. У некоторых видов клевера эта реакция отмечается не более чем у 1/4 части заражаемых волосков. В реакции искривления, очевидно, имеет большое значение состояние корневого волоска. Растущие корневые волоски наиболее чувствительны к действию веществ, вырабатываемых бактериями.

 

Рис. 8 - Клетки клубеньковых бактерий на поверхности инфицированного  корневого волоска бобового растения (по П. Дарту, Ф. Мерсеру)

 

клубеньковый азотистый бактерия бобовый

 

Следует отметить еще одну гипотезу, по которой клубеньковые бактерии попадают в корень при образовании  пальцевидного впячивания поверхности корневого волоска. На электрон-нограмме среза корневого волоска, подтверждающей эту гипотезу, виден изогнутый в виде ручки зонтика корневой волосок, в изгибе которого находится скопление клубеньковых бактерий. Клубеньковые бактерии как бы втягиваются (проглатываются) корневым волоском (подобно пиноцитозу).

 

Рис. 9 - Искривление корневых волосков бобовых растений в присутствии  клубеньковых бактерий: 1,2 - увел, х 120; 3 - ультратонкий срез через корневой волосок. Увел. X 10 000 (по К. Сальману и Г. Фэреусу)

 

Процесс внедрения клубеньковых бактерий в ткань корня одинаков у всех видов бобовых растений и состоит из двух фаз. В первую фазу происходит инфицирование корневых волосков. Во вторую фазу интенсивно идет процесс образования клубеньков. Продолжительность фаз различна у разных видов растений: у Trifolium fragiferum первая фаза продолжается 6 дней, у Trifolium nigrescens - 3 дня. В некоторых случаях очень трудно обнаружить границы между фазами. Наиболее интенсивное внедрение клубеньковых бактерий в корневые волоски происходит на ранних этапах развития растения. Вторая фаза заканчивается в период массового образования клубеньков. Нередко внедрение клубеньковых бактерий в корневые волоски продолжается уже и после того, как клубеньки сформировались на корнях. Эта так называемая избыточная или дополнительная инфекция происходит потому, что инфицирование волосков не прекращается длительное время. В более поздние сроки заражения клубеньки обычно размещаются ниже по корню.

 

Проникнув в корень (через  корневой волосок, эпидермальную клетку, места повреждений корня), клубеньковые бактерии далее перемещаются в ткани корня растения. Наиболее легко бактерии проходят через межклеточные пространства.

 

Внедриться в ткань  корня может или одиночная  клетка, или группа клеток бактерий. Если внедрилась отдельная клетка, она и в дальнейшем может перемещаться по ткани как одиночка. Путь инфицирования  корня одиночными клетками свойствен  растениям люпина.

 

Однако в большинстве  случаев внедрившаяся клетка, активно  размножаясь, образует так называемые инфекционные нити (или инфекционные тджи) и уже в виде таких нитей перемещается в ткани растения.

 

Термин «инфекционная  нить» возник на основе изучения процесса инфицирования в световом микроскопе. Начиная с работ Бейеринка, инфекционная нить стала рассматриваться как слизистая гифообразная масса с заключенными в нее

 

По способу образования  клубеньки бобовых растений подразделяются на два типа: 1-й тип - клубеньки  возникают при делении клеток перицикла (кор-неродного слоя), обычно расположенных против протоксилемы (первых по времени образования сосудов) - эндогенный тип образования клубеньков; 2-й тип - клубеньки происходят из коры корня в результате внедрения возбудителя в паренхимные клетки коры и эндодермы (внутреннего слоя первичной коры) - экзогенный тип образования клубеньков.

 

Рис. 10 - Срезы через клубеньковую ткань бобовых растений: 1 - поперечный срез через клубенек гороха. Начало дифференциации сосудистой ткани в  клубеньке (по Г. Бонду); г - продольный срез через клубенек чины. Увел. X 90

 

В природе преобладает  последний тип. Ткани центрального цилиндра корня принимают участие  только в образовании сосудистой системы клубеньков как эндогенного, так и экзогенного типа.

 

Различие в характере  возникновения клубеньков и боковых  корней особенно четко наблюдается  у сераделлы, поскольку коровая ткань главного корня этого растения - место возникновения первых клубеньков - состоит из относительно небольшого слоя клеток и клубеньки становятся видимыми очень быстро после инфицирования корня бактериями. Они образуют сначала выступы уплощенной формы на корне, что позволяет отличить их от конических выступов боковых корней. Клубеньки отличаются от боковых корней и рядом анатомических признаков: отсутствием центрального цилиндра, корневых чехликов и эпидермиса, наличием значительного слоя коры, покрывающей клубенек.

 

Рис. 11 - Интерцеллюлярные инфекционные нити в виде кармана (справа) и факела (слева) с клубеньковыми бактериями. Стрелкой показана клетка бактерий, приготовившаяся к выходу в цитоплазму растительной клетки. Увел. X 20 000

 

Формирование клубеньков бобовых растений происходит в период, когда корень имеет еще первичную  структуру. Оно начинается с деления  коровых клеток, расположенных на расстоянии 2-3 слоев от концов инфекционных нитей. Слои коры, пронизанные инфекционными нитями, остаются без изменения. В то же время у сераделлы деление коровых клеток возникает непосредственно под инфицированным корневым волоском, а у гороха деление клеток отмечается только в предпоследнем слое коры.

 

Деление с образованием радиальной структуры ткани продолжается до внутренних коровых клеток. Происходит оно без определенного направления, беспорядочно, и в результате этого возникает меристема (система образовательных тканей) клубенька, состоящая из мелких зернистых клеток.

 

Разделившиеся клетки коры изменяются: ядра округляются и увеличиваются  в размерах, особенно увеличиваются  ядрышки. После митоза ядра расходятся и, не принимая первоначальной формы, вновь  начинают делиться.

 

Возникает вторичная меристема. Вскоре в эндодерме и перицикле появляются признаки начинающегося деления, которое  в прежних внешних клетках  происходит главным образом тангентальными перегородками. Это деление распространяется, наконец, на общий меристе-матический комплекс, мелкие клетки которого вытягиваются, вакуоли исчезают, ядро заполняет большую часть клетки. Образуется так называемый первичный клубенек, в плазме клеток которого клубеньковые бактерии отсутствуют, поскольку они на данной стадии еще находятся внутри инфекционных нитей. В то время как образуется первичный клубенек, инфекционные нити многократно разветвляются и могут проходить или между клетками - интерцеллюлярно, или сквозь клетки - интрацеллюлярно - и вносить бактерии.

 

Рис. 12 - Интрацеллюлярные инфекционные нити с клубеньковыми бактериями: 1 - продольный разрез (по Д. Гудчильду и Ф. Бергерсену), 2 - поперечный срез. Увел, х 35000

 

 

Межклеточные инфекционные нити вследствие активного размножения  в них клубеньковых бактерий нередко  приобретают причудливую форму - формируются в виде карманов (дивертикулов) или факелов.

 

Процесс передвижения инфекционных нитей из клетки в клетку не совсем ясен. По-видимому, инфекционные нити, как полагает канадский микробиолог  Д. Джордан, блуждают в виде голых слизистых тяжей в межклеточных промежутках растительной ткани до тех пор, пока вследствие каких-то еще необъяснимых причин не начинают инвагинировать в цитоплазму примыкающих клеток.

 

В некоторых случаях инвагинация  инфекционной нити происходит в одну, в некоторых случаях - в каждую соседнюю клетку. По этим инвагинированным трубчатым полостям (дивертикулам) перетекает заключенное в слизь содержимое нити. Наиболее активный рост инфекционных нитей происходит обычно вблизи ядра растительной клетки. Проникновение нити сопровождается перемещением ядра, которое продвигается к месту инфекции, увеличивается, меняет форму и дегенерирует. Подобная картина наблюдается при грибной инфекции, когда ядро нередко устремляется навстречу внедрившимся гифам, притягивается к повреждению как к месту наибольшей физиологической активности, вплотную придвигается к нити, разбухает и разрушается. По-видимому, это характерно для ответной реакции растения на инфекцию.

 

У однолетних растений инфекционные нити возникают обычно в первый период инфицирования корня, у многолетних - в течение длительного периода  развития.

 

Рис. 13 - Клетки клубеньковых бактерий в межклеточном пространстве (слева, по Д. Джордану) и в момент входа из межклеточного пространства в клетку растения (справа). Увел. X 60 000

 

 Бактерии могут высвобождаться  из инфекционной нити в разное  время и разными способами.  Выход бактерий, как правило, весьма  длительный процесс, особенно  у многолетних растений. Обычно  выход бактерий из инфекционной  нити в цитоплазму растения-хозяина  связывают с внутренним давлением,  возникающим вследствие интенсивного  размножения бактерий в нити  и экскреции ими слизи. Иногда  бактерии выскальзывают из нити  группами, окруженными слизью инфекционной  нити. в виде везикул (пузыревидных образований). Поскольку везикулы не имеют оболочек, выход из них бактерий очень прост. В клетки растений клубеньковые бактерии могут попадать и поодиночке из межклеточных пространств.

 

Клубеньковые бактерии, вышедшие из инфекционной нити, продолжают размножаться в ткани хозяина. Размножение  их в этот период происходит делением перетяжкой. Основная масса бактерий размножается в цитоплазме клетки, а не в инфекционной нити. Зараженные клетки дают начало будущей бактероидной ткани.

 

Наполняющиеся быстро размножающимися  клетками клубеньковых бактерий растительные клетки начинают усиленно делиться. В  момент митотического деления зараженных клеток клубеньковые бактерии могут  скапливаться на двух противоположных  полюсах материнской клетки и  пассивно попадать в дочерние клетки. Каждая из незараженных клеток находится  при этом под сильным стимулирующим  воздействием клубеньковых бактерий и  вследствие этого также делится. Благодаря такому энергично протекающему митотическому делению меристематических клеток осуществляется распространение клубеньковых бактерий в ткани клубенька и увеличение объема бактероидной области.

 

Инфицированная ткань, состоящая  из плотно лежащих и активно делящихся  клеток, имеет сначала форму усеченного конуса. В дальнейшем вследствие постепенного роста этого конуса и одновременного деления и развития меристематических клеток ткань клубенька разрастается, утрачивая конусовидность.

 

Таким образом, клубенек увеличивается  сначала в результате радиального  и тангентального деления коровых клеток, а затем за счет увеличения их размера и одновременного деления. После того как растительные клетки полностью заполнятся бактериями, митоз прекращается. Однако клетки продолжают увеличиваться в размере и часто сильно вытягиваются. Размер их в несколько раз больше, чем у неинфицированных растительных клеток, которые расположены между ними в бактероидной зоне клубенька.

 

Связь молодого клубенька  с корнем бобового растения осуществляется благодаря сосудисто-волокнистым  пучкам. Впервые сосудисто-волокнистые  пучки наблюдал М.С. Воронин (1866). Время  возникновения сосудистой системы  в клубеньках различных видов  бобовых растений различно. Так, у  клубеньков сои начало развития сосудистых пучков совпадает с моментом проникновения  клубеньковых бактерий в два слоя коровой паренхимы. С ростом клубенька  проводящая система разрастается, разветвляется  и окружает бактероидную область.

 

Параллельно с процессом  дифференциации сосудистой системы  идет формирование клубеньковой эндодермы  из внешнего слоя первичного клубенька. Затем клубенек округляется, его  периферийный клеточный слой окружается клубеньковой корой.

 

Корневой эпидермис разрывается, а клубенек продолжает развиваться  и увеличиваться в размерах.

 

С помощью светового микроскопа на продольных срезах зрелых клубеньков обычно четко выделяются 4 характерные  зоны тканевой дифференциации: кора, меристема, бактероидная зона и сосудистая система. Все ткани клубенька дифференцируются в акропетальной последовательности, так как новые клетки закладываются меристемой.

 

Рис. 14 - Выход клубеньковых бактерий в ткань корня из везикулоподобных образований инфекционных нитей (по Гудчильду и Бергерсену)

 

Клубеньковая кора - оболочка клубенька, выполняющая защитную функцию. Кора состоит из нескольких рядов  незараженных паренхимных клеток, величина и особенности которых различны у разных бобовых культур. Чаще всего клетки коры имеют вытянутую форму и крупнее по сравнению с другими клетками клубенька.

 

Рис. 15 - Размножение клубеньковых бактерий в клубеньке чины. Увел. X 28 000

 

В коре клубеньков многолетних  деревянистых видов часто встречаются  клетки с опробковевшими оболочками, содержащие смолы, танин, дубильные вещества.

 

Клубеньковая меристема  расположена под клетками коры и  представляет собой зону интенсивно делящихся также незараженных клеток. Для меристемы клубенька характерны плотно расположенные, без межклетников, мелкие тонкостенные клетки неправильной формы. Клетки меристемы клубенька  подобны клеткам других типов  меристематической ткани (верхушки корня, верхушки стебля). Клетки клубеньковой меристемы содержат плотную, тонко гранулированную цитоплазму с рибосомами, телами Гольджи, протопластидами, митохондриями и другими структурами. Встречаются небольшие вакуоли. В центре цитоплазмы расположено крупное ядро с ядерной мембраной, порами и четко выраженным ядрышком. Функции меристематических клеток заключаются в формировании клеток клубеньковой коры, бактероидной области и сосудистой системы. В зависимости от расположения меристемы клубеньки имеют разнообразную форму: шаровидную (горох, фасоль, сераделла, арахис) или цилиндрическую (люцерна, вика, чина, акация, клевер). Меристема, расположенная отдельными участками по периферии клубенька, приводит к образованию муфтооб-разных клубеньков у люпина.