Фиксация азота соей

Фиксация азота соей
Азот является лимитирующим фактором для многих биологических систем, его ограничивающее действие усиливается по мере повышения уровня СО2 в атмосфере и роста мировой потребности в продоволь­ствии, а попытки снизить уровень содержания С02 в атмосфере могут повлиять на производство синтетических азотных удобрений. В биоло­гических системах растениям необходимо получать азот в определенном виде (например, в виде аммиака, нитратов или органических соедине­ний). Он может поступать непосредственно из природных источников, при внесении минеральных удобрений или благодаря симбиозу с азот-фиксирующими бактериями. Хотя соя (Glycine max (L.) Merrill) может использовать для получения азота каждый из этих трех вариантов, в этой главе рассматривается ее способность фиксировать азот симби-отически. Также здесь будет исследован характер этого процесса, в том числе попытки улучшить его и определить взаимодействие азотфиксации с другими экологическими и биологическими факторами. В этой главе в основном обсуждается биологическая фиксация азота соей, но также приведены яркие и уместные примеры по другим зернобобовым, так как они могут применяться и к сое.
 
Фиксация азота соей
Чтобы доказать глобальное значение фиксации азота соей, не­обходимо сравнить ее показатели с глобальными показателями всех форм азотфиксации. По подсчетам Бернса и Харди (1975), совокуп­ный показатель фиксированного (биологически и небиологически) азота составил около 175 млн тонн в год. По данным Кливленда и др. (1999), этот показатель находится в пределах от 100—290 млн тонн в год. В 1998 году деятельность человека (преимущественно выращивание бобовых и производство удобрений) предположительно также привела к дополнительной фиксации азота примерно 150 млн тонн в год (Галлоуэй, 1998). Источником небиологических поступлений азота являются в основном удобрения, которые, по оценкам, обеспечили около 100 млн тонн в 2008 году — по сравнению с 3,5 млн тонн в 1950 году (Эрисман и др., 2008); также небольшое количество азота выделяется при сгора­нии и разрядах молний (Несбитт и др., 2000). Кроме того, увеличилось количество лиственных отложений азота, которые, по оценкам Галлоуэя и др. (2004), в 1995 году составили 103 млн тонн. Большая часть этого азота получается из удобрений, промышленных и других выбросов, про­дуктов сгорания и других источников.
По оценкам двух обзоров (Херридж и др., 2008; Сальваджиотти и др., 2008), соя фиксирует 50—60 и 58% от своего общего потребления азо­та при почти нейтральном балансе почвенного азота, который являет­ся следствием выведения с семенами значительной доли азота. Однако этот азот может вновь попасть в окружающую среду вместе со сточны­ми водами или навозом в других точках системы, при этом его общее количество обусловлено мировым производством азота (Херридж и др., 2008). Оценочные показатели высокоурожайной сои, выращенной в США, указывают, что она более зависима от применяемых удобрений (40%), чем бразильская соя (20%). В условиях эксперимента эта зависи­мость колебалась в пределах от нуля до почти 100%. В сравнительном анализе результатов последних опытов общая биологическая азотфиксация соей оценивается в 16,4 млн тонн азота в год, тогда как в целом при выращивании сельскохозяйственных культур фиксируется 50— 70 млн тонн (Херридж и др., 2008). Таким образом, Херридж и др. (2008) пришли к выводу, что соя является самым важным источником био­логически фиксируемого азота среди всех бобовых культур (77%), при этом она составляет 68% от мирового производства бобовых культур.
Как и у всех бобовых, биологическая азотфиксация у сои зависит от связывания атмосферного азота "бактериями под действием фер­мента нитрогеназы. Это связывание происходит в специфичных симбиотических сообществах в корневых клубеньках бобовых и требует большого количества энергии (по крайней мере 16 молекул АТФ на мо­лекулу N2). Связывание NO3 соей также требует энергии (или прямого использования фотосинтетических электронов) на том же уровне (Аткинс, 1982), что объясняет, почему урожайность сои может быть высо­кой как у сортов с высокой фиксацией азота, так и при внесении боль­шого количества азотных удобрений. В то же время фиксация азота является тонким процессом, требующим высоких уровней фосфора.
Возрастающая стоимость синтетических азотных удобрений и их от­рицательное воздействие на окружающую среду (прямое загрязнение азотными соединениями, выброс оксида азота и увеличение содержания в атмосфере углекислого газа) означает, что соя, как самая распростра­ненная в мире азотфиксирующая бобовая культура, занимает важное место в мировом растениеводстве. Большая часть фиксированного соей азота остается доступной для последующих культур в севообороте. Это достигается заделкой в почву пожнивных остатков или применением на­воза животных, которые питались кормами на основе сои. Усредненный оценочный показатель содержания азота в соевых пожнивных остатках составляет 59 кг/га (Сальваджиотти и др., 2008). Однако из вынесенных из почвы 40 кг азота с гектара в результате обратно возвращается только 19 кг, из которых 4 кг/га — симбиотический азот. Как бы там ни было, количество фиксируемого соей азота находится в сильной зависимости от системы земледелия, экологических и внешних факторов.
 
Микробиологические компоненты
Процесс инфицирования
Соя вступает в симбиоз с различными видами Rhizobium. Эти виды в большинстве случаев эволюционировали из основного (Китай) и вторичного (Индия) центров происхождения. В наше время прово­дится обстоятельная традиционная и, с недавних пор, молекулярная таксономия (Аппуну и др., 2008; Ян и Чжоу, 2008) этих видов с целью создания и дополнения общепринятой таксономии, опубликованной Виллемсом (2006). Виллемс классифицировал виды на быстрорастущие (Sinorhizobium fredii и Sinorhizobium xinjianngense, ранее описанные как случайная нодуляция), медленно растущие (Bradyrhizobium japonicum, Bradyrhizobium elkanii и Bradyrhizobium liaoningens) и виды промежуточ­ного роста (Mesorhizobium tianshanense).
Специфичность по отношению к хозяину возникает при взаимо­действии генов растения и бактерий (Смит и др., 1992; Бегум и др., 2001). Спейнк (2000) проанализировал бактериальные факторы, свя­занные с этим процессом распознавания. К ним относятся «факто­ры нодуляции, внеклеточные полисахариды, липополисахариды, К-антигены и циклические глюканы». Многие из этих факторов бак­териальной нодуляции/распознавания в настоящее время хорошо из­учены на молекулярном уровне (Зенер и др., 2008, для секреционной системы III типа). Тем не менее детальное обсуждение этих систем вы­ходит далеко за пределы темы данной главы. Олройд и Дауни (2008) представили стадии первичного распознания и то, как они координи­руются в процессе создания бобовых клубеньков, в совершенно новом ключе. Многие из этих генов и их влияние как на растения, так и на бактерии в настоящее время хорошо описаны, а Олройд и Дауни (2008) детально осветили результаты их воздействия.
 
Гвата и др. (2004) описали наследование растением сои генов случай­ной нодуляции, в то время как Кэрролл и др. (1986) описали создание и изоляцию мутировавших форм сои, неспособных к образованию клу­беньков. Таким образом, регуляция инфицирования зависит как от ге­нов бактерий, так и от генов растительных организмов. Кроме того, за­ражение может регулироваться условиями окружающей среды.
Как только бактерии инфицируют растение, они внедряются в кор­невые клубеньки, принимая особую форму, известную как бактероид. Соя имеет определенную структуру клубеньков с несколькими бакте­роидами в одном перибактероидном мешочке. Такая сложная структура клубеньков делает возможным функционирование очень чувствитель­ного к окислению фермента нитрогеназы, а также стимулирует рост и функционирование ризобий, которые являются облигатными аэро­бами. Содержание кислорода в клубеньках поддерживается на уровне 3—30 нМ, диффузия кислорода происходит через межклеточные воз­душные промежутки и кислородсвязывающий гемопротеин (леггемо-глобин). Бактероиды заключены в перибактероидную мембрану, кото­рая регулирует потоки между бактероидами и их окружающей средой. Растение обеспечивает бактерии органическими кислотами в качестве источника углерода, а бактероиды экспортируют фиксированный азот в форме аммиака. Затем клубеньки сои модифицируют аммиак, что­бы экспортировать уреиды через ксилему в надземные части растений (Мак-Нил и ЛяРю, 1984).