Грибы - сапротрофы питаются за счёт разложения отмерших растительных остатков (опавших листьев, хвои, веток, древесины).
Грибы - симбионты получают питательные вещества не только из лесной подстилки, но и из корней древесных пород. Они вступают с деревьями в своеобразную форму сожительства, (симбиоз), образуют на корнях деревьев так называемую микоризу, или грибокорень. Симбионты сожительствуют с определёнными породами деревьев. Так, подосиновики растут, как правило, под осинами, подберёзовики под березами, дубовики по соседству с дубами и т.д. Однако большое количество микоризных грибов могут жить не с одной, а со многими древесными породами. Например, подосиновик образует микоризу не только с осиной, но и с березой, а белый гриб сожительствует почти с пятьюдесятью деревьями.
Эти кластеры инактивируются окислением железа в металлических кластерах; таким образом, азотфиксирующие микроорганизмы развили различные механизмы для предотвращения этого кислородного отравления. Во многих диазотрофах были определены дополнительные опероны как существенные для активности азота. Хотя их точные роли неизвестны, они гомологичны электронно-переносным флавопротеинам, убихинон-оксидоредуктазе и ферредоксину и считаются вовлеченными в перенос электронов в азотную кислоту и, возможно, в уравновешивании потока электронов между фиксацией азота и другими клеточными процессами, такими как дыхание.
Любители грибов хотят знать, под каким деревом какие грибы особенно распространены, в каких лесах какие грибы искать. У каждого дерева есть свой помощник его зелёной жизни. Гриб без дерева и дерево без гриба не жильцы.
И так под каким деревом?
Под берёзой: белый трюфель, белый гриб, дубовик (двойник белого), настоящий груздь (мохнач), подосиновик, черный подберезовик, сыроежка (в том числе: зеленая), фиолетовая рядовка, волнушка, тонкая свинушка, оленьей гриб, валуй и конечно красный мухомор.
Цианобактерии развили несколько механизмов для защиты азота от токсичности кислорода. Эти стратегии включают пространственное или временное разделение фотосинтеза и фиксации азота. Другие цианобактерии обладают способностью проводить фотосинтез и фиксацию азота в одной и той же клетке.
Понимание молекулярного механизма фиксации биологического азота вне бобово-ризобийного симбиоза может иметь важные агрономические последствия. Открытия и прорывы в борьбе с бобовыми и нелегированными азотами дают новое представление о способах манипулирования ключевыми этапами в этом процессе, технической фиксации азота в нелегированных культурах и использовании биоразнообразия азотфиксирующих организмов.
Под дубом: белый гриб, крапчатый дубовик, дубовый рыжик, подмолочник, (перечный, синеющий) груздь, сыроежка (розовая), гладыш-молочай, волнушка белая, свинушка, оленьей гриб, скрипица, сатанинский гриб (похож на белый), валуй, красный мухомор.
Под осиной: (красный и простой) подосиновик, груздь (осиновый, собачий), сыроежка, валуй.
Ассоциация диазотрофов с растениями как потенциальный путь к устойчивому сельскому хозяйству: стратегии, инструменты и проблемы для инженерной симбиотической фиксации азота. Доступность азота является одним из основных элементов, ограничивающих рост и развитие сельскохозяйственных культур. Природа решает проблему ограничения азота путем эволюции биологической фиксации азота в диазотрофных бактериях, которые уменьшают атмосферный азот до аммиака, который впоследствии ассимилируется в биологические молекулы.
Некоторые растения, в том числе большинство бобовых и несколько нелеги, развили способность образовывать интимные азотирующие симбиозы с диазотрофами, в результате чего большие популяции диазотрофов размещаются в живых клетках растений, которые обеспечивают питательные вещества для бактерий в обмен на аммиак, продуцируемый азотазой. Хозяин растения также защищает кислородно-лабильную азотистую основу от инактивации за счет снижения содержания свободного кислорода. Одним из основных факторов, ограничивающих инженерную симбиотическую фиксацию азота, является задача контроля экспрессии многогенных систем и сложных кодирующих последовательностей.
Под елью: белый гриб (самый настоящий белый боровик-еловик), трюфель (белый), (красный) рыжик, подосиновик, подберёзовик (чёрный), заправский сыромахнатый груздь, (чёрный, жёлтый) груздь, сыроежка (красная), валуй, свинушка, лисичка, красный мухомор.
Под сосной: боровик (черноголов-крепыш), рыжик (оранжевый), маслёнок (настоящий), маховик (зелёный, жёлто-бурый, каштановый), сыроежка (тёмно-красная, ломкая), ежевик, фиолетовая рядовка, свинушка, красный мухомор.
Однако были разработаны инструменты для модуляции и контроля экспрессии генов с высокой точностью. Зарождающиеся алгоритмы автоматизированного проектирования дают инженерам возможность создавать и отлаживать большие мультигенные системы и строить синтетическое регулирование.
Прямым подходом к инженерной фиксации азота в нелегиях является введение в растения бактериальных нифтовых генов, кодирующих азотную кислоту. Сложность биосинтеза азотной кислоты и чувствительность азотной кислоты к кислороду представляют собой серьезную проблему для реализации этой стратегии.
Под тополем: подберёзовик (серый), груздь (осиновый, синеющий).
Под вековой липой: дубовик, свинушка, сатанинский гриб.
Под ольхой: трюфель, белый гриб, молочай.
Под орешником: трюфель, белый гриб, молочай, груздь (перечный), валуй.
Под можжевельником: (белый) трюфель.
Высшие растения жили в симбиозе с грибами и бактериями в течение всей своей истории. Выход растений на сушу во многом был обусловлен симбиозом с грибами (микориза). Генетические системы, обеспечивающие взаимодействие растений с микоризными грибами, в дальнейшем многократно менялись в связи с вовлечением в симбиоз новых грибов и бактерий. Первичная функция корней состояла в обеспечении симбиоза с почвенными микроорганизмами, и лишь потом корни приобрели способность самостоятельно усваивать питательные вещества из почвы.
Как упоминалось ранее, большинство наземных растений, включая злаки, могут образовывать арбускулярные микоризные ассоциации, но неспособны образовать симбиозы корневого узла, закрепляющие азот. Несмотря на то, что симбиоз, фиксирующий азот, ограничен бобовыми, несколько компонентов симбиотического сигнального пути бобовых также играют роль в арбускулярном микоризном симбиозе.
Инженерный синтетический симбиоз в зерновых культурах путем улучшения ассоциации, не зависящей от конкреций с азотфиксирующими микроорганизмами, включает в себя манипулирование обоими партнерами для обмена соответствующими сигналами между ними для установления успешной колонизации и фиксации азота. В этом подходе растения могут быть сконструированы таким образом, чтобы выделять специализированный источник углерода, который специально повышает конкурентоспособность вновь введенных азотфиксирующих микробов в ризосфере.
Статья Н.А.Проворова представляет собой большой аналитический обзор, содержащий так много важных фактов и идей, что его переложение в виде краткой популярной заметки представляется делом довольно неблагодарным. Однако это необходимо сделать, поскольку мы не можем публиковать полные тексты статей (напомним, что организация, именуемая «МАИК Наука – Интерпериодика», владеет монопольным правом на торговлю этими текстами).
В предыдущих исследованиях сообщалось о влиянии новых питательных ресурсов на выбор микробных популяций в ризосфере. Проведение этого предвзятого ризосферного подхода будет включать идентификацию соответствующих растительных и бактериальных сигналов, рецепторов и генов-мишеней для создания успешного искусственного симбиоза для фиксации азота в зерновых культурах. Хотя синтетический синтетический симбиоз, по-видимому, менее сложный, чем развитие эндосимбиоза у нелегированных культур, он может быть ограничен количеством фиксированного азота, который может быть доставлен в культуру.
Ранее на нашем сайте уже был опубликован пересказ статьи Н.А.Проворова и Е.А.Долгих (см.: От биохимического сотрудничества – к общему геному ; там же есть подборка ссылок по новейшим открытиям в области изучения симбиотических систем).
В своей новой статье Н.А.Проворов показывает, что, несмотря на огромное разнообразие растительно-микробных симбиозов, большинство из них, по-видимому, имеют единое эволюционное происхождение.
Хотя все эти стратегии переноса азотной фиксации на сельскохозяйственные культуры за пределами бобовых имеют сложные инженерные проблемы, они могут коренным образом изменить способ выращивания зерновых культур и обеспечить устойчивое производство продуктов питания для растущего мирового населения. Это требует совместных и многодисциплинарных усилий с привлечением исследователей, обладающих разнообразными навыками и опытом, для разработки азотно-крепежных зерновых культур для доступной экологически чистой сельскохозяйственной системы.
К концу XX века стало ясно, что внешне различные формы растительно-микробных симбиозов основаны на очень сходных генетических, клеточных и молекулярных механизмах. Их изучение привело большинство специалистов к выводу о том, что все наблюдаемое многообразие симбиозов растений с почвенными грибами и бактериями произошло от одной самой древней, первичной формы такого симбиоза – арбускулярной микоризы (АМ) . Грибы, участвующие в АМ, проникают внутрь растительных клеток, образуя там особые внутриклеточные струкутуры – арбускулы (см.: . «Элементы», 12.03.08).
Даже небольшое увеличение доступного азота в этих самоподдерживающихся зерновых культурах, обеспечивающих азот, позволит значительно повысить урожайность в малоразмерных фермерских системах развивающихся стран. Вкратце, при использовании азотных удобрений от 0 до 200 кг га -1, как выход, так и поглощение азота существенно возрастают. Однако при самой высокой скорости подачи азота не происходит дальнейшего увеличения урожайности, хотя дальнейшее поглощение азота очевидно. Это ограничение источника может быть собственной эффективностью фотосинтеза или ограничением воды.
1. Происхождение арбускулярной микоризы и происхождение наземных растений. Уже самые древние и примитивные наземные растения – псилофиты – жили в симбиозе с грибами и имели АМ (см.: W Remy, T N Taylor, H Hass, H Kerp. Four hundred-million-year-old vesicular arbuscular mycorrhizae // PNAS. 1994. V. 91. P. 11841-11843). У псилофитов еще не было настоящих корней. Их подземную часть представляли ризоиды, которые могли служить для закрепления растения в грунте, но не для питания. Поэтому для первых наземных растений симбиоз с грибами, по-видимому, был абсолютно необходим. АМ характерна и для большинства современных растений (а те, у которых ее нет, скорее всего, происходят от предков, имевших АМ).
Одним из основных факторов, ограничивающих инженерную симбиотическую фиксацию азота в зерновых, является наличие широкого спектра хорошо охарактеризованных промоторных элементов в зерновых. Использование одного и того же промотора для экспрессии множественных генов в трансгенных растениях может вызвать гниение молчания. Для описания эквивалентной экспрессии нескольких трансгенов в одних и тех же клетках необходимо охарактеризовать широкий спектр промоторов. Другим непосредственным барьером для инженерной азотфиксирующей способности в зерновых культурах является строительство крупных многогеневых синтетических кассет.
На этом основании еще в 1970-х годах была предложена гипотеза о том, что выход растений на сушу состоялся именно благодаря симбиозу с АМ-грибами (Pirozinski, Malloch, 1975). Эта гипотеза впоследствии блестяще подтвердилась не только палеонтологическими данными, но и молекулярно-филогенетическими: анализ генов 18S рРНК показал, что АМ-грибы происходят от общего предка, жившего 400-500 млн лет назад, т.е. как раз в то время, когда на суше появились первые растения.
Прогнозируя возможные узкие места в трансформации зерновых культур, необходимо разработать высокоэффективные методы трансформации, а также высокопроизводительные системы экспрессии генов с переходными процессами для этих культур, чтобы сократить время разработки.
Хотя разработка новых более устойчивых ассоциаций фиксации азота, основанных на микроорганизмах, считается более приемлемой, существует ряд проблем, уникальных для проблемы разработки симбиотических взаимодействий растений и микробов, которые способствуют доставке азота в зерновые культуры. Во-первых, для фиксации азота требуется много генов, которые жестко регулируются в их родном хозяине и чувствительны к условиям окружающей среды, которые нежелательны в сельском хозяйстве. Преодоление этой проблемы требует либо переноса пути из одного организма в другой, либо бездействия кластера на собственном узле.
По-видимому, «уже на заре эволюции наземных растений у них сложилась способность регулировать жизнедеятельность микроорганизмов, колонизирующих подземные органы». Генные системы АМ довольно универсальны (это подверждается низкой специфичностью АМ-грибов по отношению к растениям), и в последствии они многократно перестраивались для организации различных симбиозов в различных группах растений.
Кроме того, микроб должен установить симбиотические отношения с культурой, которые либо требуют разработки растения, либо использования эндофитов, для которых может быть мало генетических инструментов. Однако это сложнее при работе с кластером генов, полученным от природы, в которой многие гены уже находятся под нативным контролем. Из-за этого трудно изменить часть, такую как сайт для размещения рибосомы, не затрагивая многие другие аспекты системы.
Существует даже попытка синтезировать целый эукариотический геном. Очевидно, что уточненные знания о детерминантах и требованиях к биологической фиксации азота сходятся с продвижением в развитии синтетических биологических технологий, чтобы сделать сложную проблему инженерии новых ассоциаций фиксации азота в микроорганизмах растений приемлемым предприятием.
Как растения, так и грибы, по-видимому, могли «подготовиться» к долгой совместной жизни задолго до выхода растений на сушу. Возможно, предки высших растений уже в водной среде вступали в симбиозы с различными водными грибами, как это делают сегодня зеленые и красные водоросли. Грибы, вышедшие на сушу намного раньше растений, могли вступать здесь в симбиоз с цианобактериями. Гриб Geosiphon, считающийся наиболее вероятным предком АМ-грибов, вступает в симбиоз с цианобактериями Nostoc, которые не только фотосинтезируют, но и фиксируют атмосферный азот. Это позволяет грибу жить на крайне бедных субстратах. Симбиозы такого типа могли быть широко распространены на суше до ее освоения растениями. Таким образом, еще до выхода растений на сушу почвенные грибы могли выработать эффективные системы для усвоения органики, производимой фотосинтезирующими симбионтами, а также для снабжения этих симбионтов фосфатами, поглощаемыми грибом из почвы.
Создание искусственных симбиозов или ассоциаций между диазотрофами и культурами является основной целью сельского хозяйства для снижения спроса на химические азотные удобрения. Усовершенствованное понимание приведет к более устойчивой эксплуатации биоразнообразия азотфиксирующих организмов и передаче биологических возможностей фиксации азота на основные нелегированные культуры. Поскольку большая часть основной работы, крупных прорывов и открытий была сделана на бобовых, стратегии по расширению генетической способности фиксировать азот в симбиотических отношениях в настоящее время основаны на этих знаниях.
В отличие от цианобактерий, растения могут снабжать симбиотические грибы гораздо большим количеством органики. Недостаток азота в симбиотической системе мог быть компенсирован симбиозом АМ-грибов с другими азотфиксирующими микробами.
4. Симбиоз с азотфиксирующими бактериями. Генетические системы, обеспечивающие возможность симбиоза растений с азотфиксирующими бактериями, по-видимому, являются результатом модификации генетических систем АМ (см.: Изменение гена, необходимого для симбиоза растений с грибами, привело к формированию симбиоза с азотфиксирующими бактериями . «Элементы», 12.03.08). Кроме того, Н. А. Проворов предполагает, что «в ходе эволюции АМ гломусовые грибы служили для растений донорами азотфиксирующих симбионтов». Гломусовые грибы, участвующие в АМ, часто вступают в симбиоз с азотфиксирующими бактериями. «Учитывая поистине планетарный масштаб происходящего при развитии АМ смешивания грибной и растительной цитоплазмы, логично предположить, что отбор мог подхватывать даже очень редко возникающие эндосимбионты грибов, способные сохранять жизнеспособность в цитоплазме растений».
Недавние достижения в понимании эндосимбиотической, ассоциативной и эндофитной фиксации азота с бобовыми и нелегированными растениями могут привести к новым путям для разработки нелегированных азотфиксирующих культур. Эта работа была поддержана Национальным научным фондом и Исследовательским советом по биотехнологии и биологическим наукам.
Симбиотическая фиксация азота и проблемы с ее распространением на нелеги. Это еще один тип ассоциации эндомикориз, но необходим для доставки углерода и других питательных веществ растениям в орхидейском порядке, проникая в клетки корня и создавая гифальные катушки.
В статье подробно разбираются возможные пути эволюции симбиоза растений с азотфиксирующими бактериями – ризобиями и актинобактериями. Отмечается, что большую роль в развитии этих сибмиозов сыграли преадаптации, развившиеся в ходе эволюции АМ, однако для налаживания взаимоотношений с новыми симбионтами были рекрутированы и многие гены и генные комплексы растений, которые ранее выполняли другие функции.
Микоризы находятся внутри корня растения, но не входят в фактические клетки корней и вместо этого перемещаются между корневыми клетками. Этот гриб также образует мантию вокруг корней растений и увеличивает площадь поверхности корней и действует как щит против патогенов. С этой оболочкой эндомикоризы способны увеличить способность растения получать питательные вещества и воду. Эта взаимосвязь между грибком и растением, очевидно, может оказать большое влияние на окружающую среду. В районах, где засуха распространена, растения, способные использовать михоризы для увеличения площади поверхности корней и получения воды, будут иметь преимущество перед теми, кто не имеет симбиотических отношений.
По-видимому, «приобретение двудольными способности к азотфиксирующим клубеньковым симбиозам было связано с последовательным замещением различных типов микроорганизмов, которые могут заселять межклеточные и субклеточные симбиотические компартменты в кортексе корня. При этом прокариотические азотфиксаторы использовали анцестральную программу размещения («хостинга») микросимбионтов, которая возникла при коэволюции древнейших наземных растений с АМ-грибами и претерпевала закономерные усложнения, происходившие параллельно в различных семействах».
Начальным этапом этого процесса, возможно, было замещение АМ-грибов азотфиксирующими актинобактериями Frankia. Эти бактерии внешне очень похожи на грибы (поэтому их раньше называли актиномицетами). Как и грибы, они образуют мицелий. Поначалу азотфиксирующая активность новых симбионтов была низкой, но потом растения выработали средства для ее интенсификации (в частности, более интенсивно стали откачиваться в надземную часть растения азотистые соединения, которые ингибируют азотфиксацию).
Симбиоз с Frankia создал предпосылки для вступления растений в симбиоз и с другими азотфиксаторами, которые могли вытеснять актинобактерий из программы развития симбиоза, в частности, благодаря своему более быстрому росту. Бактерии-конкуренты научились быстрее, чем Frankia, активировать у растений программу «хостинга», т.е. стимулировать растение к приему симбионтов. Проникновению Frankia в корень предшествует долгий (в несколько суток) период накопления актинобактерий у поверхности корней, тогда как ризобии проходят этот предварительный этап всего за несколько часов.
Однако замена «грибоподобных» актинобактерий другими бактериальными симбионтами (ризобиями) была сопряжена с опасностью, поскольку это открывало дорогу в организм растения множеству других бактерий, в том числе патогенных. Возможно, именно поэтому симбиоз с ризобиями сложился лишь у бобовых и некоторых вязовых (это могло быть связано с особенностями защитных систем этих растений).
Замещение микоризных грибов азотфиксаторами вовсе не означало отказ от микоризы. Напротив, у подавляющего большинства бобовых и «актиноризных» растений имееется также и АМ. При этом азотфиксирующие симбионты снабжают растение азотом, а грибы – фосфором. Однако растения, живущие в симбиозе с ризобиями, не образуют актиноризу, потому что нет смысла поддерживать два дублирующих друг друга азотфиксирующих симбиоза (на их поддержание растению приходится тратить много энергии).
Таким образом, развитие разнообразных растительно-грибных и растительно-бактериальных симбиозов представляет собой единый эволюционный континуум.