science-review.ru
В последние годы ведутся исследования по разработке применения микробных препаратов на основе активности растительных микроорганизмов в сельском хозяйстве регионов, подверженных воздействию различных стрессовых факторов. В связи с этим одной из важных задач является разработка конкурентоспособных перспективных биотехнологий для практического применения путем исследования эндофитных бактерий некоторых галофитных растений, распространенных на засоленных территориях. При объяснении значения галофитных экстремофильных эндофитных бактерий в повышении солеустойчивости и продуктивности сельскохозяйственных культур важно изучить механизмы повышения ими солеустойчивости растений. Поэтому в данной статье мы поставили цель проанализировать современные научные источники, опубликованные по данной проблеме. Анализ показал, что механизмы, с помощью которых галофиты повышают солеустойчивость экстремофильных эндофитных бактерий, можно разделить на несколько групп.
1. Продуцирование AЦК-дезаминазы
Этилен является регулятором роста растений и гормоном стресса [1], который продуцируется практически всеми видами растений. Этот газообразный гормон роста играет ключевую роль в физиологических изменениях растений на молекулярном уровне. Производство этилена значительно увеличивается в ответ на экологические стрессы, такие как засуха и засоление. Избыток этилена угнетает рост корней и, как следствие, ограничивает дальнейший рост растения. Высокий уровень этилена в клубеньках также связан со снижением фиксации N2 [2]. Хотя производство этилена у корней постоянно регулируется в процессе роста и развития растений [3], снижение уровня этилена, вызванного стрессом, смягчает некоторые последствия стресса для растений [4].
Хотя засоление и вызывает потерю способности продуцировать АЦК-дезаминазу, некоторые ризобактерии, стимулирующие рост растений (Plant Growth Promoting Rhizobacteria – PGPR), по крайней мере некоторые солеустойчивые PGPR, выделенные из соленой среды, сохраняют выработку 1-аминоциклопропан-1-карбоксилат (АЦК)-дезаминазы на основании данных об их полезных свойствах, помогающих растениям преодолевать солевой стресс за счет снижения уровня этилена. Например, 25 из 140 галотолерантных бактериальных изолятов из прибрежных почв южнокорейского Желтого моря проявляли АЦК-дезаминазную активность [5]. Эти бактериальные изоляты принадлежали к родам Arthrobacter, Bacillus, Brevibacterium, Corynebacterium, Exiguobacterium, Halomonas, Micrococcus, Oceanimonas, Planococcus и Zhihengliuella. PGPR и эндофитные бактерии, продуцирующи АЦК-дезаминазу, выделенные из соленой среды, облегчали стресс, вызванный засолением, у различных растений. Например, PGPR штаммы P. fluorescens N3 и P. putida Q7, продуцирующие АЦК-дезаминазу, стимулировали рост корней кукурузы в 3,3 раза и ростков кукурузы в 2,3 раза соответственно в условиях засоления по сравнению с неинокулированным контролем. Аналогично, инокуляция бобовых растений ризобиями, продуцирующими АЦК-дезаминазу, выделенными из засоленных почв, способствовала образованию клубеньков, а инокуляция растений пшеницы штаммом PGPR A. brasilense FP2 из засоленных почв приводила к снижению экспрессия растительной АЦК-оксидазы [6].
Значительное внимание уделялось выделению солеустойчивых PGPR, продуцирующих АЦК-дезаминазу, для их использования для стимулирования роста растений в засоленных средах. Методы выделения таких PGPR хорошо известны. Быстрый и эффективный подход к их выделению заключается в использовании основанного на полимеразной цепной реакции (ПЦР) скрининга гена acdS, кодирующего АЦК-дезаминазу, в сочетании с колориметрическим анализом нингидрина для измерения АЦК [7]. Интересно, что недавние результаты показывают, что эндофитные бактерии более способны продуцировать фермент АЦК-дезаминазу, чем PGPR, выделенные из других мест обитания, включая поверхности листьев и корней, а также из неризосферной почвы [8].
2. Продуцирование фитогормонов
Фитогормоны регулируют защитную реакцию растений на биотические и абиотические стрессы, а также развитие и устойчивость к различным экологическим стрессам, в том числе к засолению. Реакция растений на солевой стресс включает ряд изменений на молекулярном, биохимическом и физиологическом уровнях [9] и зависит от условий окружающей среды, свойств почвы и стадии роста растений. Предыдущие исследования [10] показывают, что соленость может либо уменьшать (300 мМ NaCl), либо увеличивать (100 мМ NaCl) эндогенные уровни ИУК в корнях. Растения также могут реагировать на экзогенные фитогормоны, и они могут уменьшать неблагоприятное воздействие засоления [11]. Таким образом, экзогенное применение фитогормонов и их предшественников обеспечивает привлекательный подход к противодействию солевым стрессам за счет изменения баланса эндогенных уровней гормонов. Это было проиллюстрировано в исследовании, показывающем, что обработка семян пшеницы ИУК уменьшает пагубное воздействие солевого стресса на рост пшеницы. В дополнение к стимуляции роста корневой системы, которая может повысить рост и солеустойчивость, ИУК может способствовать поддержанию роста листьев, что помогает предотвратить ограничение продуктивности растений, вызванное засолением. Также сообщалось, что ИУК усиливает защиту бактериальных клеток от абиотических стрессов, таких как высокие концентрации солей [12].
PGPR и эндофитные бактерии могут усиливать рост растений частично, путем модуляции гормонального баланса растений [13]. Продукция ИУК является относительно распространенным признаком большинства солеустойчивых PGPR и эндофитных бактерий, а PGPR, продуцирующие ИУК, могут повышать приспособленность растений, выращенных в засоленных почвах. PGPR и эндофитные бактерии могут улучшать солеустойчивость сельскохозяйственных культур за счет изменения гормональной передачи сигналов от корней к побегам. Ранее сообщалось о способности изменять уровень стресса растений путем предоставления ИУК, которая влияет на развитие боковых корней, для галотолерантных бактерий, выделенных из прибрежных почв, корней галофитов в Аргентине, сильнозасоленных местообитаний, галофита Prosopis strombulifera, ризосферы галофитных сорняков пакистанского солончака Хевра, галотолерантные растения с прибрежной песчаной отмели Китая и ризосферы C. annum, произрастающего в пустынных районах [14]. Tiwari и др. (2011) продемонстрировали, что инокуляция пшеницы солеустойчивыми штаммами Halomonas sp., продуцирующими ИУК, приводила к более высокому содержанию ИУК в ризосфере обработанных растений по сравнению с контрольными растениями и к усилению роста растений. В другом исследовании штамм Sinorhizobium meliloti, продуцирующий ИУК, улучшал рост Medicago truncatula в засоленных почвах. Эти исследования ясно показывают, что регулирование продукции ИУК в галофитных и негалофитных растениях эндофитными и ризосферными бактериями может быть важным инструментом в обеспечении солеустойчивости.
Цитокинины (ЦК) также участвуют в развитии устойчивости растений к биотическим и абиотическим стрессам. Продукция ЦК является относительно обычным признаком PGPR и эндофитных бактерий. PGPR могут влиять на концентрацию ЦК в растении путем синтеза ЦК или изменения гомеостаза ЦК в растении [15]. Растения Platycladus orientalis, инокулированные штаммом PGPR B. subtilis, продуцирующим ЦК, имели повышенный уровень ЦК в побегах и были более устойчивыми к засухе [16]. Повышенный рост растений салата, подвергшихся засухе, инокулированных штаммом B. subtilis, продуцирующим ЦК, объясняется модуляцией передачи сигналов ЦК от корня к побегу. Способность PGPR синтезировать ЦК или изменять гомеостаз ЦК растений подчеркивает важность понимания того, как PGPR стимулируют рост и повышают устойчивость растений к засолению.
Гибберелловая кислота (ГК) положительно регулирует деление и удлинение клеток, рост гипокотиля и стебля, а также размер меристемы листьев и корней. Передача сигналов ГК является ключевым фактором ингибирования роста растений в условиях стресса [17].
Абсцизовая кислота (АБК) является важным стрессовым гормоном растений, который синтезируется в ответ на абиотические стрессы и активирует гены, ответственные за стрессоустойчивость [18]. Этот гормон играет важную роль в смягчении стресса от засоления, опосредуя устьичные и, следовательно, фотосинтетические реакции на высокую засоленность. Он также играет решающую роль во взаимодействиях растений и PGPR. Многие PGPR и эндофитные бактерии продуцируют АБК in vitro; к ним относятся A. brasilense, B. licheniformis, Novosphingobium sp., P. fluorescens, Rhodococcus sp. P1Y и Variovorax paradoxus [19].
Жасмоновая кислота также участвует в устойчивости к абиотическим стрессам. Некоторые эндофитные PGPR синтезируют жасмоновую кислоту и салициловую кислоту (СК). Инокуляция растений штаммами PGPR P. fluorescens Pf4, P. aeruginosa Pag и B. amyloliquefaciens LJ02 приводила к повышению эндогенного уровня СК у различных растений. Инокуляция Vitis vinifera штаммом PGPR Burkholderia phytofirmans PsJN также приводила к накоплению СК, как и инокуляция штаммами PGPR Promicromonospora sp. SE188 [20] и B. amyloliquefaciens RWL-1 [21], продуцирующими ГК.
Однако роль ИУК, цитокининов, гиббереловой, абсцизовой, салициловой и жасмоновой кислот в физиологии галотолерантности растений указывает на то, что будущие исследования того, как бактериальные изоляты из галофитов влияют на гомеостаз фитогормонов в растениях, могут быть интересными и полезными.
3. Растворение нерастворимых фосфатов
Фосфор является одним из важнейших макроэлементов для растений. Хотя в почвах много органического и неорганического фосфора, доступность фосфора ограничена из-за его присутствия в нерастворимых формах. Принимая во внимание, что фосфор составляет около 0,05 % (по весу) почвы, часто только 0,1 % от общего количества фосфора доступен для растений из-за плохой растворимости и его фиксации в почве. В сельском хозяйстве как на засоленных, так и на плодородных почвах интенсивное земледелие сильно истощает питательные вещества почвы. Использование неорганических NPK-удобрений увеличивает засоление почвы, особенно в сочетании с неправильным орошением. Галотолерантные PGPR, солюбилизирующие фосфаты, дают возможность повысить доступность фосфора для растений без повышения уровня засоления почвы. PGPR солюбилизирующие фосфаты могут растворять нерастворимые фосфаты с помощью различных механизмов, таких как хелатирование, ионный обмен и подкисление, путем секреции низкомолекулярных органических кислот [22]. В засоленных почвах инокуляция галотолерантными PGPR, солюбилизирующими фосфаты, улучшала рост растений и подавляла неблагоприятное воздействие соли. После инокуляции растений Solanum lycopersicum бактериями Achromobacter piechaudii содержание фосфора в растениях и эффективность использования воды увеличивались в условиях солевого стресса. Точно так же инокуляция пшеницы бактериями . aquimaris увеличивала содержание фосфора в растениях в условиях засоления в полевых условиях [23]. Оба исследования предполагают, что PGPR растворяют нерастворимый фосфор в засоленных почвах. Галотолерантные бактерии, выделенные из галофитов, также проявляют фосфат-солюбилизирующую активность. При скрининге ризосферы мангровых зарослей A. marina было выявлено 129 бактериальных штаммов, способных растворять каменный фосфат, при этом Oceanobacillus picturae способны мобилизовать 97 % этого минерала. Показано, что бактерии, выделенные из галофитов, включая Arthrobacter, Bacillus, Azospirillum, Vibrio, Phyllobacterium и O. picturae, растворяют Ca3(PO4)2, AlPO4 и FePO4 и увеличивают содержание фосфора как в галофитах, так и в гликофитах в условиях солевого стресса. Когда галофиты S. bigelovii и S. bigelovii инокулировали различными галотолерантными PGPR, включая zospirillum, Vibrio, Bacillus и Phyllobacterium, содержание фосфора в листве увеличивалось [24]. Это повышенное содержание фосфора в тканях растений может помочь смягчить сдерживающие рост эффекты засоления [25].
4. Продуцирование сидерофоров
Железо является микроэлементом, входящим в состав многих ферментов, участвующих в биохимических процессах, включая дыхание, фотосинтез и фиксацию N2 [26]. Доступность железа в известковых и засоленных натриевых почвах по всему миру очень низкая. Эти почвы подавляют доступность большинства питательных микроэлементов, включая железо, и подавляют рост растений из-за одновременного стресса от засоления и дефицита железа. PGPR и эндофитные бактерии часто секретируют сидерофоры, которые представляют собой небольшие Fe(III)-хелатирующие соединения, которые поглощают железо, а комплексы железо-сидерофоры легко доступны растениям. Сообщалось о продуцировании сидерофоров галотолерантными PGPR, выделенными из галофитов [27], однако способность этих штаммов повышать доступность железа и других микроэлементов, таких как Zn, Mn и Cu, для растений пока неизвестна.
5. Фиксация азота
Большинство сельскохозяйственных систем зависят от применения экзогенного азота, так как часто нехватка этого питательного вещества больше всего ограничивает продуктивность. Продуктивность галофитных культур также может быть ограничена недостатком доступного азота в засоленных почвах. Фиксация азота бобовыми растениями более чувствительна к засолению почвы, чем рост растений, а засоление негативно влияет на все этапы формирования и функционирования клубеньков [28]. Засоление может влиять на питание растений азотом и, таким образом, снижать содержание азота в тканях растений, о чем свидетельствует опосредованное засолением подавление поглощения и ассимиляции аммония и нитратов. Как правило, фермеры используют химические удобрения, чтобы компенсировать нехватку азота в почве, однако чрезмерное использование неорганических удобрений может увеличить засоление, сильно ухудшить структуру почвы и изменить состав почвенной микрофлоры. Засоление также приводит к низкой микробной активности почвы из-за осмотического стресса и ионной токсичности. Таким образом, повышение засоленности почвы во многих частях мира ограничивает продуктивность растений и преимущества, получаемые от биологической фиксации N2 [29]. Солеустойчивые N2-фиксирующие PGPR и эндофитные бактерии могут переносить осмотический стресс, продуцируя осмолиты, которые позволяют им поддерживать клеточный тургор и метаболизм [30]. Фиксация N2 солеустойчивыми бактериями, ассоциированными с корнями галофитов, является важным источником доступного азота в засоленных почвах. Кроме того, эти корни являются источником галотолерантных N2-фиксирующих бактерий с потенциалом стимулирования роста растений [31], некоторые из которых усиливают рост галофитов, а также негалофитных культур на засоленных почвах. Потенциальные преимущества биологических фиксаторов азота для галофитов и чувствительных к засолению культур, подчеркивают интерес к изучению галотолерантных PGPR и эндофитных бактерий, фиксирующих N2, в качестве потенциальных источников биоудобрений для засоленных почв [32].
6. Повышение уровня антиоксидантов
Активные формы кислорода образуются у растений при возникновении осмотического и солевого стресса. Окисление мембранных белков, липидов или ДНК предотвращается некоторыми ферментами, включая каталазу, супероксиддисмутазу и аскорбатпероксидазу. Микроорганизмы используют аналогичные подходы, чтобы справиться с окислительным стрессом. Гамильтон и его коллеги в 2012 г. сообщили о продуцировании активных форм кислорода в растениях эндофитными грибами [33]. В более ранних исследованиях предполагалась корреляция между устойчивостью растений к солевому стрессу и снижением активности антиоксидантных ферментов. Поглотители активных форм кислорода включают ферменты: супероксиддисмутазу, каталазу, аскорбат- или тиол-зависимые пероксидазы, глутатионредуктазы, дегидроаскорбатредуктазы и монодегидроаскорбатредуктазы, в дополнение к глутатиону, аскорбату и токоферолу. Они участвуют в удалении активных форм кислорода либо напрямую (супероксиддисмутаза, каталаза, аскорбатпероксидаза), либо опосредованно через регенерацию аскорбата и глутатиона в клетке. Rodriguez и др. (2008) сообщали, что несимбиотические растения Leymus mollis (дюнная трава) при постоянном воздействии раствора NaCl 500 ммоль/л сильно увядали и высыхали в течение 7 суток и погибали через 14 суток. В то же время симбиотические растения, зараженные Fusarium culmorum, не проявляли симптомов увядания до тех пор, пока не подвергались воздействию раствора NaCl 500 ммоль/л в течение 14 дней [34].
7. Накопление совместимых растворенных веществ
Если ионы Na+ и Cl- ограничены в вакуоли растительной клетки, органические растворенные вещества, совместимые с метаболической активностью даже при высоких концентрациях (отсюда «совместимые растворенные вещества»), должны накапливаться в цитозоле и органеллах, чтобы сбалансировать осмотическое давление ионов в вакуоли. Наиболее часто накапливаемыми соединениями являются пролин, глицин-бетаин и сахароза [35].
Накопление органических растворенных веществ является важным механизмом борьбы с осмотическим стрессом, и это также было обнаружено у галофитов. Аминокислота пролин была предметом исследований для понимания повышения солеустойчивости после колонизации растений эндофитами. Однако результаты с арбускулярно-микоризными грибами были неоднозначными и предполагают, что накопление пролина в большинстве случаев является не причиной, а следствием солеустойчивости [36]. Осморегуляция также может быть достигнута с помощью сахаров и бетаинов. Оба были повышены у микоризных растений, и предполагалось, что они участвуют в солеустойчивости [37].
8. Выделение экзополисахаридов
Галотолерантные и галофильные бактерии выделяют экзополисахариды (ЭПС), которые необходимы для прикрепления к поверхности корней или частицам почвы. Они играют важную роль во взаимодействиях бактерий и микробов, клеточных ассоциациях между микроорганизмами и защите растительных тканей от атак бактерий, вирусов и простейших [38]. ЭПС также участвуют в стабилизации структуры почвы и водоудерживающей способности частиц почвы. Инокуляция галофильными бактериями Halomonas, Halobacillus и Planococcus усиливала рост пшеницы, Sesuvium и нута в условиях засоления [39].
9. Продуцирование галоцинов
Галоцины представляют собой белковые бактериоцины, продуцируемые чрезвычайно галофильными бактериями и археями. Галоцины подразделяются на два типа: (1) микрогалоцины (пептиды) размером менее 10 кДа и (2) белковые галоцины размером более 10 кДа. Их бактерицидные способы действия имеют широкий спектр, включая ДНК- и РНК-нуклеазную активность, ингибирование транскрипции и трансляции, образование пор и бактериолиз [40]. Все галобактерии и археи нечувствительны к каким-либо конкретным галоцинам. Чувствительные штаммы образуют зону ингибирования на пластине с двойным агаром в ответ на присутствие галоцинов. Halocin H4 был первым охарактеризованным галоцином из Haloferax sp. Галоцины G1, R1, A2, H6, C8 и A4 были изучены на молекулярном уровне [41]. Методы высокопроизводительного секвенирования показали, что галоцины положительно влияют на протеом растения и повышают устойчивость растений к засолению. Бактериоцин турицин 17, продуцируемый Bacillus thuriengenesis, дифференциально изменяет протеом арабидопсиса в условиях солевого стресса (200 мМ NaCl). Некоторые растительные белки, участвующие в путях углеродного и энергетического метаболизма, управляются бактериальными сигналами [42].
10. Биологический контроль фитопатогенов
Помимо нарушения физиологии и морфологии растений, засоление почвы повышает восприимчивость растений к патогенам. Болезни растений являются одним из основных препятствий для урожайности, но потенциально их можно контролировать биологически с помощью PGPR и эндофитных бактерий. Биологическая борьба с использованием PGPR и эндофитных бактерий предлагает более экологичный подход к борьбе с болезнями, чем сельскохозяйственные химикаты [43]. Некоторые механизмы, которые PGPR и эндофитные бактерии используют для противодействия вредному воздействию фитопатогенов, включают: 1) синтез одного или нескольких антимикробных метаболитов, многие из которых описаны среди PGPR представителей родов Bacillus и Pseudomonas. Эти метаболиты могут служить цитотоксическими, противогрибковыми, антибактериальными, фитотоксическими, противогельминтными, противовирусными, антиоксидантными и/или противоопухолевыми агентами [44]; 2) производство ферментов, разрушающих клеточную стенку грибов, таких как липаза, которая может разрушать некоторые липиды, связанные с клеточной стенкой гриба, β-1,3-глюканаза, которая может разрушать углеводы клеточной стенки, хитиназа, которая может разрушать интегральный компонент клеточной стенки грибов – хитин [45], и протеаза, которая может разрушать белки клеточной стенки [46]; 3) конкуренция либо за питательные вещества, либо за места связывания на корнях растений; такая конкуренция может ограничивать рост фитопатогена или связывание с растением, тем самым затрудняя размножение патогена [44]; 4) синтез цианистого водорода, который при производстве биоконтролирующими PGPR, такими как Rhizobium, Pseudomonas, Alcaligenes, Bacillus и Aeromonas, ингибирует цитохром С-оксидазу, а также другие важные металлоферменты; 5) активация индуцированной системной устойчивости, которая представляет собой механизм устойчивости у растений [47] при воздействии на растения определенных микробов, таких как некоторые биоконтролирующие PGPR. При этом растение быстрее и сильнее реагирует на последующую атаку патогена. Индукция системной устойчивости обеспечивает сильную защиту, координируемую сигнальными путями фитогормонов [48]; 6) подавление кворума, то есть нарушение передачи сигналов между патогенами. Это может происходить за счет продукции ферментов, разрушающих сигнал, таких как лактоназа, и последующая потеря и нарушение передачи сигнала может минимизировать вирулентность патогена; 7) синтез сидерофоров, которые могут предотвращать или снижать пролиферацию патогенов за счет уменьшения количества железа, доступного для патогенов [49]. Было обнаружено, что сидерофоры из PGPR, по крайней мере в некоторых случаях, обладают более высоким сродством к Fe3+, чем сидерофоры из грибковых патогенов, что дает PGPR конкурентное преимущество в отношении железа.
Заключение
Галофитные растения – это растения, приспособленные для выращивания в засоленных средах. Эндофитные бактерии, обнаруженные в растениях, имеют большое значение в их развитии под влиянием солевого стресса. Рост растений стимулируется несколькими механизмами, осуществляемыми эндофитными бактериями. Описанные выше механизмы представляют собой некоторые из механизмов стимуляции роста растений эндофитных бактерий. Из приведенных данных видно, что эндофитные бактерии являются одним из важных ресурсов, которые могут быть использованы при возделывании сельскохозяйственных культур для земледелия засоленных территорий, и мы считаем целесообразным их углубленное изучение.