Арбускулярно-везикулярная микориза: ее изучение и применение для повышения плодородия почв

Размещено на http://www.allbest.ru/

МГУ им. М.В. Ломоносова

Арбускулярно-везикулярная микориза: ее изучение и применение для повышения плодородия почв

Космачевская Л.Н.

Аннотация

В работе представлен один из интереснейших и широко распространенных симбиозов грибов с растениями - арбускулярно-везикулярная микориза, история ее изучения, систематика и морфология, перспективы использования в качестве нетрадиционных фосфорных удобрений на обедненных почвах. Одна из первых статей серии, посвященной исследованию положительного влияния ВАМ на растение-хозяина, баланс питательных веществ в почве и растениях, повышение плодородия почв.

Ключевые слова: АМ-ГРИБЫ, ВАМ, ВЕЗИКУЛЯРНО-АРБУСКУЛЯРНАЯ МИКОРИЗА, ФОСФОРНЫЕ УДОБРЕНИЯ, ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВ

Основная часть

почва арбускулярный везикулярный микориза

В настоящее время происходит постоянное снижение уровня плодородия почв сельскохозяйственных угодий, ухудшение экологической обстановки, интенсивная деградация и разрушение агроландшафтов и экосистем. Уже сегодня остро стоит проблема баланса питательных веществ в почвах.

Фосфор - важный элемент питания растений. Он является важным биофильным элементом, физиологическая роль которого в питании растений огромна. Фосфор принимает участие в синтезе белков, энергетическом обмене, передаче наследственных свойств, образовании клеточных мембран, ускоряет переход растений в репродуктивную фазу. Без фосфора немыслим процесс фотосинтеза и дыхания растительного организма. С учетом прогноза развития отрасли производства фосфорных удобрений наметившийся дефицит производства фосфорсодержащих удобрений будет с каждым годом обостряться. В связи с этим важное значение приобретают альтернативные пути снабжения фосфором сельскохозяйственных растений, в частности, с помощью АМ-грибов.

Микориза является наиболее древней формой симбиоза растений с микроорганизмами. Она образуются у 90% видов наземных растений. При этом грибы являются посредниками между растениями и почвой, обеспечивая хозяев питательными веществами. Большое распространение имеет неспецифичная форма эндомикоризы - везикулярно-арбускулярная микориза (ВАМ), образуемая большинством наземных растений. Везикулярно-арбускулярная микориза и арбускулярная микориза являются мутуалистическими симбиозами, сформированными между корнями большинства растений и грибов отдела Glomeromycota, несколько лет назад выделенного из отдела Zygomycota [1]. Большое распространение имеет неспецифичная форма эндомикоризы - везикулярно-арбускулярная микориза (ВАМ), образуемая большинством наземных растений.

Микориза - неотъемлемая часть большинства растений в природе. Инфекция системы корня растения этими грибами создает симбиотические отношения между растением и грибом. На инфицированных корнях грибы развивают внешний мицелий, который является мостом, соединяющим корень с окружающей почвой [2]. Одно из многих наиболее значительных влияний АМ-грибов на растение-хозяина - увеличение поглощения фосфора, главным образом, из-за способности микоризированных грибов поглощать фосфаты из почвы и передавать их корням хозяина. Кроме того, микоризная инфекция приводит к увеличению поглощения меди, цинка, никеля и др. [2]. Известно, что микориза уменьшает проблемы с болезнетворными микроорганизмами, которые инфицируют корни растений [2, 3].

Как уже установлено многими исследователями [2, 3, 4 и др.], наличие АМ грибов в корнях растений улучшает поглощение воды и многих биофильных элементов, в том числе фосфора, азота, цинка, кальция и других. Особенно хорошо ВАМ развивается на обедненных почвах. Также есть доказательства, что ВАМ помогают дополнительному всасыванию растениями влаги на засушливых почвах [5, 6]. Есть сведения, что поглощение фосфора, меди и цинка (но не железа) АМ-грибами может способствовать также и оплодотворению в растениях [6]. Формирование ВАМ, как указывалось раньше, увеливает сопротивление засухе и болезням, уменьшет повреждение вредителями корней и инфицирование нематодами, и, соответственно, увеличивает производство семян, улучшает качество урожая растений.

Штаммы этих грибов уже давно изучаются и используются в сельском хозяйстве многих стран, особенно с теплым климатом (Америка, Турция, Индия, Кения и многие другие), тем самым заменяя традиционные удобрения. Однако, в отличие от многих грибов, участвующих в других типах микориз, АМ-грибы не могут быть выращенными в культурах в отсутствие корней растений, что представляет огромные трудности по изучению их роста, развития и влияния на растения. В США на базе университета Западной Вирджинии даже существует Международная коллекция штаммов ВАМ-грибов (INVAM). Там проделывается колоссальная работа по выращиванию этих очень привередливых и нужных штаммов микроорганизмов [7].

ВАМ - это самый распространенный тип микоризы, он может быть найден в почти всех сообществах растений, естественных и сельскохозяйственных. Везикулярно- арбускулярная (ВА) и арбускулярная микориза являются эндомикоризами, сформированными гломеромицетами, как грибов и корней большинства семейств покрытосемянных растений, так и Gymnosperms, Pteridophytes и Bryophytes (печеночников). Хозяин этой микоризы может быть факультативно или облигатно зависящим от его грибкового партнера. Ряд исследователей считает, что эти микоризные ассоциации являются очень древними, и другие типы микоризы развивались позже. ВАМ, возможно, участвовала в успешном вторжении на землю сосудистых растений и имел влияние на управление развитием корней.

Первоначально считалось, что эндомикоризы высших растений образуются фузариумами, несовершенными грибами, базидиомицетами, а также неидентифицированными грибами, которые якобы могут передаваться из поколения в поколение через семена. Другая теория основывалась на том, что миксосимбионтами везикулярно-арбускулярных эндомикориз являются грибы семейства Endogonaceae. Этот факт был подтвержден во второй половине 20 века многими исследователями [8, 9, 10].

Первая монография по эндогенным грибам была посвящена описанию рода Endogone Link и принадлежала русскому ученому Ф. Бухгольцу [11]. Бухгольц изучил половой процесс Endogone lactiblua и доказал, что этот гриб является фикомицетом, у которого в почве развиваются плодовые тела - зигоспорангии. Изучение других видов этого рода привело автора к заключению, что половой процесс встречается не у всех эндогоновых грибов: существуют виды, размножающиеся хламидоспорами. Поэтому эндогоновые грибы по способу размножения разделили на зигоспоровые и хламидоспоровые. Эндогоновые грибы были отнесены Бухгольцем к порядку Mucorales.

Важную роль в изучении систематики эндогоновых грибов сыграла работа Thaxter [8], который собрал обширный материал, характеризующий разнообразие этой группы грибов. В пределах семейства Endogonoceae он выделил четыре рода: Endogone Link, Haziella Berk, Sclerocystis Berk, Sphaerocreas Saec. Эти грибы вырабатывали подземные плодовые тела, чаще всего содержащие хламидоспоры. Однако цикл развития и родственные связи их долго оставались неисследованными в связи с трудностью выделения в чистую культуру (большинство из них облигатные симбионты) и из-за отсутствия ключей для определения их видового состава.

Решению первой проблемы в значительной мере способствовали разработанные в середине прошлого века способы выделения эндогоновых грибов из почвы и других субстратов и методы их культивирования. Работы таких ученых как Gerdemann и Mosse [4, 12], послужили стимулом для многочисленных исследований систематики и экологии эндогоновых грибов во многих странах. Первой сводкой по систематике грибов, образующих везикулярно-арбускулярную микоризу, была работа Gerdemann и Trappe [9], посвященная описанию эндогоновых грибов северо-западного Тихоокеанского побережья Америки.

Таксономия этой группы грибов претерпевает постоянные изменения. В настоящее время АМ-грибы относятся к отделу Glomeromycota [1], недавно выделенному из отдела Zigomycota. Однако это и теперь подвергается сомнению. Недавняя информация о последовательности их 18S рибосомальных РНК указывает, что они формируют древнюю группу, ветвящуюся перед аскомицетами и базидиомицетами [10]. Как видно из рис. 1, в отделе 5 семейств. Все виды грибов этого отдела репродуцируются асексуально с помощью бластоспор.

Рис. 1 Современная классификация отдела гломеромицетов [7]

Морфология и распространение

На морфологию корней везикулярно-арбускулярные микоризы влияют мало или совсем не влияют, но могут изменять их цвет. Микоризные корешки отличаются от не микоризных желтовато-бурой и зеленоватой окраской участков корня, где обычно развит эндофитный гриб.

Везикулярно-арбускулярные грибы имеют следующее морфологическое строение. Вокруг корня формируется сеть наружного экстраматрикального мицелия, гифы которого резко увеличивают площадь поглощения корневой системы, что особенно важно в случае отсутствия корневых волосков у растений. Внутренний мицелий распространяется внутри и между клетками коры корня. Ткани в эндодерме не колонизируются.

Арбускулы развиваются, когда верхушечная или боковая ветвь гифы проникает в клетку хозяина и там начинает дихотомически ветвиться. В результате этого обеспечивается предельно большая площадь контакта между грибом и цитоплазмой клетки. Цитоплазма арбускул, как и цитоплазма внутренних и внешних гиф, содержит много сферических гранул диаметром 0,1-0,2 мм. Заключенные в них полифосфаты связаны с вакуолями в транспорте фосфатов током цитоплазмы по гифам из почвы к арбускулам [3].

Везикулы - сферические или овальные пузырчатые вздутия в середине и на концах гиф, главным образом, между клетками первичной коры. Везикулы функционируют как запасающие структуры и как выживающие пропагулы, когда микоризные корни отмирают и разлагаются (рис. 2).

Рис. 2 Общий жизненный цикл и формирование структур АМ-грибов [7]

Практически все члены класса формируют арбускулы в корковых ячейках корней покрытосемянных растений. Таксон Geosiphon формирует интересный симбиоз даже с морскими водорослями [7].

За исключением разновидностей Gigaspora и Scutellospora, грибы формируют заполненные липидами пузырьки в пределах корней. То, что члены двух родов не формируют пузырьки, привело к дебатам относительно того, является ли название арбускулярная микориза более соответствующим, чем везикулярно-арбускулярная микориза для этих отношений, или должны быть использованы более соответствующие термины, в зависимости от разновидностей микоризы [10].

Споры образуются АМ-грибами в почве, прямо на гифах или внутри спорокарпов, последние имеют размеры от нескольких мм до 2-3 см. Внутри спорокарпов могут находиться спорангии, зигоспоры или хламидоспоры. Зиготы образуются в результате слияния двух одноядерных или многоядерных клеток, отделившихся перегородками от гиф мицелия. Бывают гомо- и гетероталлические виды. Зрелые споры эндомикоризных грибов имеют характерные прикрепления к несущим их гифам, что является важным диагностическим признаком.

Эндомикоризные грибы - облигатные симбионты, не растущие в культуре in vitro. В связи с этим изучение жизненного цикла грибов было всегда затруднено.

Элементы минерального питания из почвы поглощаются наружными гифами эндофита и транспортируются к внутренним грибным структурам, а оттуда попадают в растение. Благодаря многочисленным анастамозам, сеть из внешних гиф пронизывает почву на большие расстояния. В естественных растительных сообществах гифы ВАМ-грибов образуют связи между отдельными корнями одного вида растений и даже между корнями различных видов растений. Эти связи способствуют переносу элементов минерального питания между растениями. Благодаря наличию внешних гиф, микотрофные корни способны использовать значительно больший объем почвы. Это особенно важно для фосфатов, т.к. они быстрее поступают в корень через фосфатдефицитную зону, возникающую вблизи поверхности корня в почвах с низким содержанием фосфатов, чем при естественной диффузии через почву.

Считается, что усиленное поглощение фосфора микоризованными растениями вызвано исключительно увеличением поверхности корневой системы за счет внешних гиф гриба. Опыты с меченым фосфором не выявили существенного преимущества микоризных растений по сравнению немикоризными в поглощении труднодоступного фосфора [3, 12, 13]. У микоризованных растений в опытах увеличивалась способность использования фосфора из апатита, фосфата кальция, костной и фосфоритной муки, фосфатшлака. Положительный эффект эндофитов может быть связан с активностью кислой и щелочной фосфатаз, которые были найдены в микотрофных корнях. Щелочные фосфатазы принимают участие в активном транспорте фосфорных удобрений внутри гиф гриба. Усиление дыхания микотрофных растений приводит к увеличению в корневых выделениях количества органических и неорганических кислот, что также может способствовать растворению труднодоступных соединений фосфора.

Многие исследователи [3, 4, 5, 6 и др.] видят значение микоризообразующих грибов не только в простом увеличении поглощающей поверхности корня, но и в метаболических процессах, лежащих в основе обмена между грибом и клетками корня растений. Микоризные грибы, как гетеротрофные организмы, нуждаются в углеводах и, поселяясь в корнях растений, потребляют значительное количество растворимых сахаров, образующихся в листьях растения-хозяина. Вырабатывая физиологически активные вещества, микосимбионты увеличивают отток углеводов от растения-хозяина к грибу и увеличивают фотосинтез. Наблюдается усиление процесса дыхания у растений. Выделяющаяся при этом энергия используется на более активный синтез различных соединений (белков, углеводов). На активацию процессов анаболизма и катаболизма в тканях растений расходуется много минеральных соединений. Существуют два пути поглощения питательных минеральных веществ микоризными грибами: первый -метаболическая адсорбция из субстрата периферическими свободными гифами и транспорт во внутренние структуры ВАМ-грибов (арбускулы, везикулы и мицелий); второй путь - диффузия питательных веществ из почвенного раствора в гифы гриба за счет градиента концентраций. Микориза поглощает питательные вещества и воду из почвы с более высокой скоростью, чем обычные корни.

Накопившиеся в наружных гифах ВАМ-грибов фосфаты переводятся в полифосфаты и в таком виде транспортируются в гифы мицелия внутри корневых тканей растения. Полифосфаты локализуются в вакуолях по одной, реже по три гранулы. Гранулы присутствуют также в неразрушенных арбускулах. В тончайших арбускулярных ветвях происходит перемещение фосфора в растительную клетку благодаря механизму активного транспорта в плазмалемме хозяина. Полифосфатные гранулы освобождаются в ткани растения при переваривании арбускул.

Цикл развития большинства эндофитов можно разделить на две фазы: биотрофную и сапротрофную. Биотрофная фаза связана с живым растением-хозяином, преимущественно, с его корневой системой. Сапротрофная фаза протекает в почве или на растительных остатках, где происходит формирование зигоспор, хламидоспор, спорокарпов, являющихся органами перенесения неблагоприятных условий внешней среды в отсутствие растений (рис. 3).

Рис. 3 Изображение спор Gigaspora margarita (фото La Banque Europйenne des Glomales. Gigaspora spp. и Scutellospora spp., Gigasporaceae ) - грибковые партнеры в арбускулярной микоризе [10]

Развитие ВАМ можно разделить на три этапа: преинфекционные взаимодействия, формирование межклеточного мицелия, развитие внутриклеточной симбиотической структуры [3]. На первом этапе споры гриба прорастают в почве под действием растительных выделений и образуют специальные структуры прикрепления - апрессории. На втором этапе из апрессорий вовнутрь корня начинает расти инфекционная гифа, проникая через эпидермис в ткани кортекса, ветвится и образует мицелий. На третьем этапе в местах тесного контакта мицелия с клетками гифы проникают в растительные клетки, где образуются арбускулы - разветвленные впячивания сложной формы, содержащие гифу гриба, окруженную растительной плазмалеммой и клеточной стенкой. Арбускулы являются местами наиболее интенсивного обмена партнеров метаболитами, в частности передачи в растение фосфатов, поглощаемых грибом из почвы. Арбускулы существуют в течение нескольких дней, после лизируются хозяином, а взамен гифы в кортексе корня образуют новые арбускулы.

Первичное заражение у однолетних растений начинается в фазу 3-4 листьев, в дальнейшем количество эндофитов в корне возрастает, достигая максимума в период цветения и плодоношения, а затем интенсивность микоризной инфекции снижается. Проростки однолетних растений безмикоризны, что служит свидетельством того, что их инфицирование происходит из почвы [3].

У многолетних растений в зимних условиях гриб сохраняется в тканях корня в форме гиф и многочисленных везикул (рис.4). С возобновлением вегетации высшего растения сразу же возобновляется и рост эндофитного гриба в корнях. Гифы из перезимовавших участков корня постепенно внедряются во вновь формирующиеся ответвления корней. Но возможно также заражение микоризными грибами из почвы, где они сохраняются в виде хламидоспор и спорокарпов.

Наличие или отсутствие микориз, а также особенности их строения, зависят, преимущественно, от систематического положения растения-хозяина. Большинство папоротников и мохообразных микотрофны. У высших споровых растений не имеют микориз спорофиты плаунов и хвощей. Голосеменные все микотрофны. Среди покрытосеменных не имеют микориз осоковые, ситниковые, крестоцветные, маковые, гвоздичные, большинство гречишных и маревые. ВАМ-грибы также инфицируют деревья и кустарники: дуб, ясень, яблоню, лещину, жимолость и даже морские водоросли.

Рис. 4 Изображение корня от сорго обыкновенного с везикулами в микоризе гриба Gigaspora rosea, сделано в Calderon, Francisco [12]

Везикулярно-арбускулярная микориза представляет собой наиболее распространенную форму консортивных связей высших растений с грибами. Ее образуют большинство культурных растений из хозяйственно важных семейств. Эндофиты обнаружены у таких культур, как пшеница, кукуруза, картофель, бобы, соя, томаты, чай, кофе, какао, сахарный тростник, каучуковое дерево. На территории нашей страны ВАМ представлена достаточно широко. Анализ микосимбиотических связей в растительном покрове ландшафтно-географических зон бывшего СССР и вертикальных поясов показывает, что в лесной и степной зонах, а также в большинстве высокогорных фитоценозов, микотрофные виды преобладают над немикотрофными. В тундрах и пустынях, в субнивальном поясе симбиотические связи высших растений с грибами заметно ослабевают.

Если тип микориз в пределах одной систематической группы высших растений остается относительно постоянным, то интенсивность микоризообразования подвержена значительным изменениям. Степень микотрофности растений зависит от многих причин: фенологического состояния растения-хозяина, его возраста и эколого-ценотических условий, особенно водно-воздушного режима почв и освещения.

Список использованных источников

1. Домарадский И.В., Градова Н.Б. Очерки микологов для экологов. Под ред. чл.-корр. РАН и акад. РАМН И.Б. Ушакова. М.: Истоки, 2007, с. 4.

2. Swift C. Mycorrhiza and soil phosphorus levels. Colorado State University. http://www.coopext.colostate.edu/TRA/PLANTS/mycorrhiza.html?PrintWindow.

3. Соколова Н.А. Использование ВАМ-грибов в агроценозе для регулирования фосфорного питания растений на обычных и эродированных черноземах.. Дисс. канд. наук., М.: МГУ, 1995.

4. Gerdemann, J. W. 1968. Vesicular-arbuscular mycorrhiza and plant growth. Annu. Rev. Phytopathol. 6: 397- 418.

5. Augй, R.M. Water relations, drought and vesicular-arbuscular mycorrhizal Symbiosis. Mycorrhiza, 2001. V. 11. N.3. 42 p.

6. Sieverding, E. Vesicular-Arbuscular Mycorrhiza Management in Tropical Agrosystems. GTZ, Eschborn. and Hartmut Bremer Verlag. Friedland. 1991. 365 p.

7. INVAM: International Culture Collection of (Vesicular) Arbuscular Mycorrhizal Fungi http://invam.caf.wvu.edu/.

8. Thaxter R. A revision of the Endogoneae in Proceedings of the National Academy of Arts and Sciences, USA, 1922, 57, p. 289-350.

9. Gerdemann, J. W., Trappe J.W. The Endogonaceae of the Pacific Northwest. Mycol. Memoirs. 1974, N. 5. 76 p.

10. Walker C, Trappe J.M. Names and epithets in the Glomales and Endogonales. Mycol Res. 1993, 97. p. 339-344.

11. Бухгольц Ф.В. Материалы к морфологии и систематике подземных грибов с приложением описания видов, найденных в России. Изд. Ест. Ист. Музея граф. Е.П. Шереметьевой в с. Михайловском. 1902. Вып. 1. 196 с.

12. Mosse, B. Plant growth responses to vesicular-arbuscular mycorrhizae. IV. In soil given additional phosphate. New Phytologist. 1973. 72: p. 127-136.

13. Newman, E.I. and Rydell, P. The distribution of mycorrhizas among families of vascular plants. New Phytologist. 1987, 106: p. 745-751.

Размещено на Allbest.ru