Механизм биологической фиксации молекулярного азота, иммобилизация фосфора микроорганизмами – Структурная основа симбиоза

Структурная основа симбиоза

Клубеньки бобовых растений выполняют комплекс взаимосвязанных функций, обеспечивая экологическую нишу для эндосимбионтов, создавая структурную основу для обмена партнерами метаболитами, а также осуществляя контроль численности и активности бактерий. Развитие клубеньков базируется на сигнальных процессах, вызывающих дифференциальную экспрессию генов. В случае симбиоза эти процессы связаны с экзогенными сигналами, поступающими от другого организма. Кроме того, формирование клубеньков является для растений факультативным, не обязательным для нормального развития и репродукции, при этом основная генетическая информация, необходимая для морфогенеза клубеньков, находится в геноме ризобий.

Среди наиболее изученных клубеньков «недетерменированного стеблевого» типа – представители бобовых – горох, клевер, люцерна. На рисунке 50 показано развитие азотфиксирующего клубенька гороха.

Рисунок 50 – Развитие азотфиксирующего клубенька гороха (по В.С. Шевелуха с соавт.)

Инфицирование этих бобовых ризобиями происходит через корневые волоски, которые при этом скручиваются, как это показано на рисунке. В месте наиболее резкого сгиба волоска происходит гидролиз клеточной стенки и глубокая инвагинация плазмалеммы, в которой участвуют мембранные структуры растительной клетки (аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум), происходит не активное внедрение бактерий в корневые волоски, а скорее захват ими бактерии-симбионта. В результате этих событий вокруг бактериальных клеток образуется особое пространство, называемое инфекционной нитью, стенки которого сходны со стенками растительных клеток, а внутреннее пространство заполняется веществом, в образовании которого участвуют оба партнера.

Параллельно с описанным выше процессом происходит закладка клубеньковой меристемы, связанная с митотической реактивацией, дифференцировкой и пролиферацией клеток кортекса, индуцируемой Nod-факторами. в возникающем клубеньковом примордии начинаются процессы гистогенеза, в результате чего формируются покровная, проводящая и азотфиксирующая ткани клубенька. Развивающаяся инфекционная нить, через 2-3 суток после инокуляции достигает основания корневого волоска, проникает в кортекс, а затем и в растущий клубенек, где разрастается и ветвится.

Ключевой стадией развития эндосимбиоза является переход бактерий из инфекционной нити в растительные клетки, происходящий путем эндоцитоза. В месте впячивания инфекционной нити в растительную ткань образуются временные структуры – инфекционные капли, от которых отшнуровываются мембранные пузырьки, содержащие бактерии. Таким образом, бактерии никогда не располагаются свободно в растительной цитоплазме – они заключены в «перибактероидные» мембраны, которые образуются с участием телец аппарата Гольджи и эндоплазматического ретикулума, однако содержат и бактериальные белки. Бактериальная клетка или группа клеток, окруженные такой мембраной выделяются как основная субклеточная единица симбиоза – симбиосома.

Некоторое время после выхода из инфекционной нити ризобии сохраняют свои размеры и палочковидную форму, а затем дифференцируются в особые формы – бактероиды, которые, как уже отмечалось, значительно превосходят по размерам свободноживущие бактерии, а их форма варьирует от шарообразной и грушевидной у клевера до Y- или Х-образной у гороха.

Дифференциация бактерий связана репрессией многих генов, которые необходимы для автономного роста. Эта репрессия настолько глубока, что бактероиды уже не могут превращаться в свободноживущие клетки и гибнут после отмирания клубеньков. В бактероидах активируется синтез нитрогеназы, катализирующей восстановление молекулярного азота до аммонийной формы, а также других ферментов, обслуживающих нитрогеназную реакцию, после чего начинается фиксация атмосферного азота. Гистологическая структура клубенька недетерменированного типа в его развитии показана на рисунке 51.

Рисунок 51 – Гистологическая структура клубенька недетерменированного типа (по В.С. Шевелуха с соавт.)

Параллельно с формированием симбиосом происходит и дифференцировка инфицированных растительных клеток. Она выражается в возрастании количества внутриклеточных мембранных структур, которые участвуют в формировании перибактероидных мембран и в биосинтетических процессах. Для инфицированных клеток характерна полиплоидизация и декоденсация хроматина, связанная с усилением транскрипционной активности. На биохимическом их дифференцировка выражается в синтезе de novo ряда белков.

Этот процесс завершается формированием сложно устроенного клубенька «недетерменированного» типа. Его основными структурами являются:

– инфицированная бактериями ткань, в которой происходит фиксация молекулярного азота;

– проводящие пучки, по которым поступают растительные продукты фотосинтеза и выносятся продукты азотфиксации;

– апикальная меристема, за счет которой происходит рост клубенька. Она обеспечивает постоянное обновление азотфиксирующей ткани