Структура бактериальных сообществ некоторых видов рода Solidago L.

Размещено на http://www.allbest.ru

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119991 г. Москва, Российская Федерация

Главный ботанический сад имени Н.В. Цицина РАН, 117276 г. Москва, Российская Федерация

Структура бактериальных сообществ некоторых видов рода Solidago L.

Т.Г. Добровольская, Т.И. Хуснетдинова,

П.М. Савицкая, О.В. Шелепова

Определена численность и таксономическая структура эпифитных бактериальных сообществ трех видов рода Solidago (Solidago virgaurea L., S. canadensis L., S. gigantea Aiton) из природных мест обитания. Установлено, что у золотарников в вегетационный период численность бактерий эпифитного комплекса на листьях и корнях увеличивается на 1-2 порядка, в почве под исследуемыми растениями плотность и таксономическая структура бактериального комплекса мало изменялась. Во все сроки отбора образцов на листьях золотарников среди эпифитных бактерий филлосферы доминировали пигментные формы протеобактерий, замены эккрисотрофных протебактерий на бактерии гидролитического комплекса не зафиксировано. На соцветиях и семенах у S. canadensis и S. gigantea доминантами также были пигментные формы протеобактерий, их доля составляла 60-100%, тогда как на соцветиях S. virgaurea они были в минорных количествах, а доминировали апигментные формы протеобактерий. Ключевые слова: эпифитные сообщества, Solidago virgaurea L., Solidago canadensis L., Solidago gigantea Aiton., таксоны бактерий

Сведения об авторах / About the authors

Добровольская Татьяна Глебовна кандидат биологических наук; ведущий научный сотрудник кафедры биологии почв факультета почвоведения, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Хуснетдинова Тамара Ивановна кандидат биологических наук; старший научный сотрудник кафедры земледелия факультета почвоведения, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Савицкая Полина Михайловна магистрант кафедры земледелия факультета почвоведения, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Шелепова Ольга Владимировна кандидат биологических наук; старший научный сотрудник лаборатории физиологии и иммунитета растений, Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина Российской академии наук, г. Москва

Tatyana G. Dobrovolskaya PhD in Biology; Leading Researcher at the Soil Biology Department of the Faculty of Soil Science, Lomonosov Moscow State University

Tamara I. Khusnetdinova PhD in Biology; Senior Researcher at the Department of Agriculture of the Faculty of Soil Science, Lomonosov Moscow State University

Polina M. Saviskaya undergraduate of Department of Agriculture of the Faculty of Soil Science, Lomonosov Moscow State University

Olga V. Shelepova PhD in Biology; Senior Researcher at the Laboratory of Plant Physiology and Immunity, Tsitsin Main Botanical Garden RAS, Moscow

T. Dobrovol'skaya1, T. Khusnetdinova1,

P. Savitskaya1, O. Shelepova2

Lomonosov Moscow State University, Department of soil science, Moscow, 119991, Russian Federation

Tsitsin Main Botanical Garden RAS,

Moscow, 117276, Russian Federation

The structure of bacterial communities of some species of the genus Solidago L.

The abundance and taxonomic structure of the epiphytic bacterial communities of three species of the genus Solidago (Solidago virgaurea L., Solidago canadensis L., Solidago gigantea Aiton) from natural habitats was determined. It was established that in goldenrod during vegetation period, the number of bacteria of the epiphytic complex on leaves and roots increases by 1-2 orders of magnitude, in the soil under the studied plants, the density and taxonomic structure of the bacterial complex did not change much. In all the periods of sampling on the leaves of 3 species of goldenrod, among the epiphytic bacteria of the phyllosphere, pigmented forms of proteobacteria dominated, no replacement of eccisotrophic proteobacteria with bacteria of the hydrolytic complex was recorded. In inflorescences and seeds in Solidago canadensis and Solidago gigantea, the pigmented forms of proteobacteria were also dominant, their share was 60-100%, while in inflorescences of S. virgaurea they were in minor quantities, and apigmented forms of proteobacteria dominated. Key words: epiphytic communities, Solidago virgaurea L., Solidago canadensis L., Solidago gigantea Aiton, bacterial taxones

Введение

В настоящее время растения рода Solidago (Solidago virgaurea L., S. canadensis L., S. gigantea Aiton) популярны в ряде стран и входят в состав лекарственных сборов для лечения воспалительных урологических заболеваний и аденомы простаты (препараты «Простомед», «Урофлюкс», «Фитодолор» (Германия), «Уронат медивит» (Польша), «Марелин» (Украина)).

В листьях и соцветиях этих растений обнаружены целый комплекс биологически активных соединений: флавоноидные агликоны (кверцетин, кемпферол, изорамнетин) и гликозиды (кверцетин-3-О-глюкопиранозид, изорамнетин-3-О-глюкопиранозид, рутин, нарциссин, кемпферол-3-О-глюкорамнозид, рамнетин-3-О-глюкорамнозид, кверцетин-3-О-глюкопиранозил-6-О-ацетил, изорамнетин-3-О-глюкопиранозил-6-О-ацетил); кумарины (скополетин, умбеллиферон); оксикоричные кислоты (кофейную); сахара; тритерпеновые сапонины; аминокислоты [Федорова, Челомбитько, 2012].

Препараты из золотарника обыкновенного и канадского обладают выраженным гипоазотемическим и диуретическим действием, установлено их отхаркивающее и гипотензивное действие. Экстракты из надземной части золотарников применяется в качестве спазмолитического, диуретического и противовоспалительного средства для лечения и профилактики оксалатного и фосфатного нефроуролитиаза. Прием таких препаратов позволяет предупредить рецидивы после хирургического удаления камней у больных нефроуролитиазом или избежать его развития [Kalemba, Gora, Kurowska, 1990; Kalemba, Thiem, 2004; Apati et al., 2003; Федорова, Челомбитько, 2012].

Кроме того, наряду с вышеуказанным комплексом биологически активных соединений, значительный интерес вызывает изучение биологической активности эфирного масла золотарников. Установлено, что эфирное масло S. virgaurea, S. canadensis, S. gigantea, произрастающих на территории России (Алтайский край), Индии, Китая, Египта, Польши, обладает антибактериальным действием в отношении золотистого стафилококка, кишечной и синегной палочек и ряда энтеробактерий [Kalemba, Marschall, Bradesi, 2001; Kalemba, Thiem, 2004; Tkachev, Korolyuk, Letchamo, 2006; Demir et al., 2009; Mishra et al., 2010; Li et al., 2012;

El-Sherei et al., 2014]. Также эфирное масло Solidago canadensis обладает противоопухолевой активностью [Li et al., 2012]. Возможно, что эфирные масла других видов золотарников имеют аналогичные свойства. Приведенные выше данные способствовали признанию фармакопейным комитетом РФ золотарника канадского официальным растением ФС 42-2777-91 «Herba Solidaginis canadensis трава золотарника канадского». Данный факт послужил основой для создания промышленных плантаций данного вида в Ставропольском крае и Центральной части России [Шуклин, 2008; Пещанская, Цицилин, 2009; Семинихин, Семинихин, 2009].

В последние годы наряду с изучением биологически активных соединений лекарственных растений, большое внимание уделяется изучению эпифитных бактериальных сообществ, являющихся неотъемлемой частью любого растения. Эпифитные микроорганизмы размножаются на поверхности листьев, цветков, стеблей, семян и т.д. Они питаются продуктами экзосмоса растений, при этом условия жизни эпифитных микроорганизмов своеобразны: они выдерживают периодические колебания температур и влажности, используют небольшие запасы питательных веществ на поверхности растений [Ерина, Коптева, 2015]. В большинстве случаев эпифитную микрофлору изучают при поражении растений тем или иными фитопатогенами, в то время как состав эпифитных бактериальных сообществ здоровых растений остается недостаточно изученным, особенно с учетом необходимости таких знаний, т.к. представители эпифитной микрофлоры способны выделять антибиотические соединения в отношении возбудителей инфекций и тем самым предохранять растения от заболеваний. Кроме того, эпифитная микрофлора благоприятно воздействующие на рост и развитие своих хозяев, этому способствует их биологическая активность, выраженная в синтезе важнейших фитогормонов: ауксинов (индолил-3-уксусная кислота), гибберелинов, цитокининов и этилена [Холмецкая, Лобанок, 2001; Compant et al., 2005].

Целью данного исследования было изучение численности и таксономической структуры эпифитных бактериальных сообществ и ее динамики в вегетационный период у золотарника обыкновенного (S. virgaurea) золотарника канадского (S. canadensis) и золотарника гигантского (S. gigantea).

1. Объекты и методы исследований

Образцы исследуемых растений отбирались на территории Главного ботанического сада имени Н.В. Цицина РАН (г. Москва). Анализировались листья, соцветия и семена растений, образцы отбирались в период вегетативного роста, цветения, созревания семян. В работе

использовали традиционный метод посева на твердую питательную среду. Исследуемые образцы взвешивали по 0,4 г и вносили их в колбы, содержащие 40 мл стерильной воды. Для десорбции микроорганизмов из образцов использовали прибор «Вортекс», численность и таксономический состав десорбированых бактериальных комплексов исследовали методом посева. Посев проводили в трехкратной повторности из разведений 103--105 на глюкозо-пептонно-дрожжевую среду, в которую вносили 50 мг нистатина для ингибирования грибов. Культивировали его в течение 7-10 суток при комнатной температуре. После подсчета общего числа колоний проводили их микроскопирование в световом микроскопе с фазово-контрастным устройством (ЛОМО, Микмед-2, Россия). Основных представителей бактерий, выросших на плотной среде, выделяли в чистые культуры. Морфологические признаки изучали у молодых (24-часовых) и 3-5-суточных культур. Численность бактерий выражали в колониеобразующих единицах на грамм субстрата (КОЕ/г или клеток/г). Родовую принадлежность выделенных культур бактерий устанавливали на основании морфологических, культуральных и хемотаксономических признаков, используя «Определитель бактерий Берджи» (1997), а также методическое пособие «Методы оценки бактериального разнообразия почв и идентификации почвенных бактерий» [Лысак, Добровольская, Скворцова, 2003].

2. Результаты и обсуждение

Бактерии являются самыми многочисленными колонистами филлосферы и ризосферы золотарников, при этом численность популяций бактерий варьировала от 105 до 107 КОЕ/г (клеток/г) (табл. 1). Численность бактерий на листьях исследуемых растений в начале вегетации колебалась от 0,12 до 0,4 млн. клеток/г; на корнях от 0,9 до 52 млн. клеток/г. На листьях численность бактериальных клеток у всех трех видов была на одном уровне. Корни растений, служащие для поглощения элементов минерального питания и воды, необходимых для роста растений, выделяют широкий спектр органических соединений, поступающих в ризосферу растений, где осуществляется активная микробная деятельность. В начале вегетации на корнях Solidago canadensis и S. gigantea средние показатели численности бактерий оказались на 1 порядок выше, чем на листьях, тогда как у S. virgaurea численность бактерий на корнях была сопоставима с аналогичным показателем бактериального сообщества листьев. Таким образом, численность бактерий на корнях у трех видов золотарника в начале вегетации различалась в 8-55 раз. В почве количество бактерий под золотарниками было стабильно в онтогенезе и составляло 4,2 х 106-9,0 х 106 КОЕ/г.

Таблица 1 Динамика численности бактерий на разных органах золотарников в вегетационный период, КОЕ/г [The dynamics of the number of bacteria on different organs of goldenrods during the growing season, CFU/g]

В фазу цветения у всех трех видов отмечено увеличение на 1-2 порядка численности бактерий на листьях, в дальнейшем роста количества бактериального сообщества у Solidago canadensis и S. gigantea не зафиксирован, а у S. virgaurea плотность бактериальной популяции даже снизилась на 1 порядок.

На цветках численность бактериального сообщества была на 1-2 порядка ниже, чем на листьях в период цветения. Минимальных значений плотность бактериальных популяций зафиксирована на соцветиях золотарника канадского 8,2 х 104 КОЕ/г. Тогда как на семенах S. canadensis и S. gigantea было отмечено увеличение численности бактерий до 107 КОЕ/г.

При анализе таксономического разнообразия бактериальных сообществ золотарника было выявлено присутствие большого количество бактерий класса Proteobacteria, разделение которых на бактериальные таксоны на основании фенотипических признаков весьма затруднительно, поэтому нами было определена только их принадлежность к крупному таксону классу Proteobacteria. Они являются типично эккрисотрофными бактериями, питающимися продуктами экзоосмоса растений и представлены как пигментными, так и апигментными формами. Доминирование бактерий данного класса в филлосфере лекарственных растений ранее отмечалось в работе Т.Г. Добровольской с соавторами [Сруктура..., 2017].

Рассматривая динамику таксономической структуры бактериальных сообществ в филлосфере золотарника канадского и золотарника обыкновенного, следует отметить общую закономерность доминирование пигментных форм протеобактерий, их доля на поверхности листьев увеличивается в онтогенезе с 60 до 100% у S. canadensis и с 64 до 82% у S. virgaurea (табл. 2). На соцветиях и семенах у S. canadensis пигментные протеобактерии стали монодоминирующим таксоном бактерий, тогда как у S. virgaurea на соцветиях доминировали апигментные формы, а на семенах пигментные формы протеобактерий.

В филлосфере золотарника гигантского таксономическая структура бактериального сообщества несколько отличалась: на листьях в период вегетации выделялись две доминирующие группы пигментные и апигментные протеобактерии (табл. 2). В дальнейшем в онтогенезе доля пигментных форм протеобактерий на листьях снизилась до 30%. Кроме того, в бактериальном сообществе присутствовали представители рода Arthrobacter (20%), причем доля этой группы на листьях к фазе созревания семян возросла до 70%. Общеизвестно, что артробактер является типичным почвенным микроорганизмом, в филлосферу растений бактерии этого рода попадают с почвенными частицами с ветром, пылью и осадками. В литературе встречаются данные, что некоторые виды данного рода могут активно размножаться на листьях растений, используя для питания сложные органические соединения фенольной природы [Сруктура..., 2017]. На соцветиях и семенах Solidago gigantea доминировали, как и у других видов золотарника, пигментные протеобактерии.

Таблица 2 Изменение таксономической структуры бактериальных сообществ золотарников в онтогенезе, % [Change in the taxonomic structure of bacterial goldenrod communities in ontogenesis, %]