Изменение морфологии корневой системы пшеницы при инокуляции Azospirillum brasilense Sp7 и бактериофагом ФAb-Sp7
Автор: Гулий О.И., Соколова М.К., Соколов О.И., Игнатов О.В.
Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology
Рубрика: Солома, микробное сообщество почв, гумус, микроорганизмы
Статья в выпуске: 3 т.50, 2015 года.
Бесплатный доступ
Одними из распространенных объектов при исследовании ассоциативных взаимодействий растений с бактериями служат представители рода Azospirillum. В ризосфере злакових азоспириллы формируют высокоэффективные ассоциации, оказывающие стимулирующий эффект на рост и развитие растений, включая пшеницу. Однако детали этого взаимодействия пока остаются неизвестными. Например, отсутствуют какие-либо данные о том, инфицированны или неинфицированны клетки азоспирилл бактериофагами и какова роль бактериофагов почвенных микроорганизмов в ассоциативном взаимоотношении микроорганизм-растение. В то же время бактериофаги играют важную роль в качестве фактора, регулирующего численность микробных клеток, и в переносе генетической информации посредством трансдукции. В большинстве случаев бактериофаги выделяют из различных объектов среды, в том числе из почвы, и лишь незначительная часть работ посвящена описанию бактериофагов из ассоциативных почвенных бактерий. Мы изучали изменения морфологии корневой системы яровой пшеницы (сорт Саратовская 29) при инокуляции клетками бактерий Azospirillum brasilense Sp7 и бактериофагом ФAb-Sp7, выделенным из этих клеток. Инокуляция 3-суточных проростков пшеницы клетками A. brasilense Sp7 с плотностью суспензии 10 8, 10 6, 10 4 кл/мл (объем - 20 мл) приводила к уменьшению длины корня, при этом число боковых корней существенно увеличивалось при плотности суспензии 10 2 кл/мл. При обработке проростков пшеницы препаратом бактериофага ФAb-Sp7 среднее число корней практически не изменялось. Показано, что при инокуляции проростков пшеницы только суспензией азоспирилл происходило уменьшение зоны растяжения корня в 3,0 раза и уменьшение зоны всасывания в 1,5 раза. Обработка проростков пшеницы суспензией, содержащей как клетки азоспирилл, так и бактериофаги, вызывала уменьшение зоны растяжения (в 3,3 раза), но не приводила к уменьшению зоны всасывания (корневых волосков). С помощью конфокальной микроскопии показано, что при инкубации проростков пшеницы с клетками азоспирилл (10 2 кл/мл) значительно увеличивалась длина и число корневых волосков (в среднем на 40 %) по сравнению с контролем. Установлено также увеличение длины и числа корневых волосков в среднем на 60 % по сравнению с контролем при одновременной инокуляции проростков клетками азоспирилл штамма Sp7 и бактериофагом ФAb-Sp7. Высказано предположение, что бактериофаги азоспирилл участвуют в сложном процессе взаимодействия бактерий с корневой системой пшеницы и могут влиять на эффективность ассоциативных взаимоотношений растение-микроорганизм и, в конечном счете, определять эту эффективность.
Бактериофаги, пшеница, корневая система
Короткий адрес: https://sciup.org/142133592
IDR: 142133592 | УДК: 633.11:581.43:581.55 | DOI: 10.15389/agrobiology.2015.3.315rus
Changes in the morphology of the root system of wheat inoculated with Azospirillum brasilense Sp7 and bacteriophage FAb-Sp7
The Azospirillum is one of the most common objects to study associative interactions between bacteria and plants. In the rhizosphere of cereals the Azospirillum cells form effective association and demonstrate a stimulating effect on plant growth and development, in particular in wheat. However, the details of these positive effects are still unknown. For example, there is no evidence of whether the Azospirillum cells are infected with bacteriophages, and little is known about the role that the bacteriohages of soil microorganisms can play in the development of associative relationship between microorganisms and plants. Nevertheless, the bacteriophages are well known to control the bacteria number in the population and be involved in genetic transduction. Note that the studied bacteriophages are mostly isolated from environment, in particular, from soil, while the bacteriphages of associative soil bacteria still remain poorly studied. To evaluated changes in the morphology of the wheat ( Triticum aestivum L.) root system in Saratovskaya 29 variety after inoculation with Azospirillum brasilense Sp7 bacterial cells and bacteriophage FAb-Sp7, isolated from these cells, we first inoculated the 3-day old wheat seedlings with A. brasilense Sp7 at 10 8, 10 6, 10 4 cells per 1 ml. It resulted in a decrease in the length of the root, and the number of lateral roots grew considerably at 10 2 cells per 1 ml. After treatment wiht bacteriophage FAb-Sp7 an average number of roots remained unchanged. It was shown that wheat seedling inoculation with Azospirillum suspension resulted in a 3-fold decrease in root elongation zone, and the suction zone reduced 1.5 times. Treatment of wheat seedlings with a suspension containing Azospirillum and phages resulted in a 3.3-fold decrease in the tensile zone, but the root hair zone remained unchanged. Using confocal microscopy we demonstrated that incubation of wheat seedlings with Azospirillum at 10 2 cells per 1 ml significantly increased the number and length of root hairs (on average by 40 %) compared with the control. It was shown that a simultaneous inoculation with Azospirillum Sp7 cells and bacteriophage FAb-Sp7 also increased the number and length of root hairs (60 % on average) compared with control. It is suggested that bacteriophages of Azospirillum are involved into complex interaction of bacteria with wheat root system, and can influence on and, ultimately, determine the effectiveness of associative relationships between the plant and microorganisms.
Список литературы Изменение морфологии корневой системы пшеницы при инокуляции Azospirillum brasilense Sp7 и бактериофагом ФAb-Sp7
- Волкогон В.В., Мамчур А.Е., Лемешко С.В., Миняйло В.Г. Азоспириллы -эндофиты семян злаковых растений. Микробиологический журнал, 1995, 57(1): 14-19.
- Döbereiner J., Pedrosa F.O. Nitrogen-fixing bacteria in non leguminous crop plants. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, NY, 1987.
- Schloter M., Kirchhof G., Heinzmann U. Immunological studies of the wheat-root-colonization by the Azospirillum brasilense strains Sp7 and Sp245 using strain-specific monoclonal antibodies. In: Nitrogen fixation with non-legumes. Cairo, American University of Cairo press, 1994: 291-297.
- Assmus B., Hutzler P., Kirchhof G., Amann R., Lawrence J.R., Hartmann A. In situ localization of Azospirillum brasilense in the rhizosphere of wheat with fluorescently labeled, rRNA-targeted oligonucleotide probes and scanning confocal laser microscopy. Appl. Environ. Microbiol., 1995, 61(3): 1013-1019.
- Bashan Y. Azospirillum plant growth-promoting strains are nonpathogenic on tomato, pepper, cotton, and wheat. Can. J. Microbiol., 1998, 44: 168-174 ( ) DOI: 10.1139/w97-136
- Bashan Y., Holguin G. Azospirillum-plant relationships: environmental and physiological advances (1990-1996). Can. J. Microbiol., 1997, 43: 103-121 ( ) DOI: 10.1139/m97-015
- Bashan Y., Holguin G., de-Bashan L.E. Azospirillum-plant relationships: physiological, molecular, agricultural, and environmental advances (1997-2003). Canad. J. Microbiol., 2004, 50: 521-577 ( ) DOI: 10.1139/w04-035
- Thirunavukkarasu N., Mishra M.N., Spaepen S., Vanderleyden J. Gross C.A., Tripathi A.K. An extra-cytoplasmic function sigma factor and anti-sigma factor control carotenoid biosynthesis in Azospirillum brasilense. Microbiology, 2008, 154: 2096-2105 ( ) DOI: 10.1099/mic.0.2008/016428-0
- Hartmann A., Baldani J.I., Kirchhof G. et al. Taxonomic and ecological studies of diazotrophic rhizosphere bacteria using phylogenetic probes. In: Azospirillum VI and related microorganisms: genetics, physiology, ecology (Series G: Ecological Sciences, V. 37). Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, NY, 1995: 415-427.
- Bacteriophages: Methods and protocols. Volume 1: Isolation, characterization, and interaction/A.M. Kropinski, M.R.J. Clokie (eds.). Humana Press, NY, 2009 ( ) DOI: 10.1007/978-1-60327-164-6
- Dwivedi B., Schmieder R., Goldsmith D.B., Edwards R.A., Breitbart M. PhiSiGns: an online tool to identify signature genes in phages and design PCR primers for examining phage diversity. BMC Bioinformatics, 2012, 13: 37 ( ) DOI: 10.1186/1471-2105-13-37
- Ashelford K.E., Norris S.J., Fry J.C., Bailey M.J., Day M.J. Seasonal population dynamics and interactions of competing bacteriophages and their host in the rhizosphere. Appl. Environ. Microbiol., 2000, 66(10): 4193-4199 ( ) DOI: 10.1128/AEM.66.10.4193-4199.2000
- Williamson K.E., Wommack K.E., Radosevich M. Sampling natural viral communities from soil for culture-independent analyses. Appl. Environ. Microbiol., 2003, 69: 6628-6633 ( ) DOI: 10.1128/AEM.69.11.6628-6633.2003
- Williamson K.E., Radosevich M., Wommack K.E. Abundance and diversity of viruses in six Delaware soils. Appl. Environ. Microbiol., 2005, 71: 3119-3125 ( ) DOI: 10.1128/AEM.71.6.3119-3125.2005
- Helton R.R., Liu L., Wommack K.E. Assessment of factors influencing direct enumeration of viruses within estuarine sediments. Appl. Environ. Microbiol., 2006, 72(7): 4767-4774 ( ) DOI: 10.1128/AEM.00297-06
- Srinivasiah S., Bhavsar J., Thapar K., Liles M., Schoenfeld T., Wommack K.E. Phages across the biosphere: contrasts of viruses in soil and aquatic environments. Res. Microbiol., 2008, 159(5): 349-357 ( ) DOI: 10.1016/j.resmic.2008.04.010
- Romero-Suarez S., Jordan B., Heinemann J.A. Isolation and characterization of bacteriophages infecting Xanthomonas arboricola pv. juglandis, the causal agent of walnut blight disease. World J. Microbiol. Biotechnol., 2012, 28(5): 1917-1927 ( ) DOI: 10.1007/s11274-011-0992-z
- Boyer M., Haurat J., Samain S., Segurens B., Gavory F., González V., Mavingui P., Rohr R., Bally R., Wisniewski-Dyé F. Bacteriophage prevalence in the genus Azospirillum and analyses of the first genome sequence of an Azospirillum brasilense integrative phage. Appl. Environ. Microbiol., 2008, 74(3): 861-874 ( ) DOI: 10.1128/AEM.02099-07
- Maniatis Т., Frisch E.F., Sambrook J. Molecular сloning: а laboratory manual. Cold Spring Harbor Laboratory, NY, 1982.
- Smith G.P., Scott J.K. Libraries of peptides and proteins displayed on filamentous phage. Meth. Enzymol., 1993, 217: 228-257.
- Копылов Е.П. Селекция эффективных штаммов диазотрофов для инокуляции яровой пшеницы. Микробиология и биотехнология, 2007, 1: 67-73.
- Шестаков С.В. Как происходит и чем лимитируется горизонтальный перенос генов у бактерий. Экологическая генетика, 2007, 5(2): 12-24.
- Антонюк Л.П., Игнатов В.В. Почвенные ассоциативные симбиозы бактерий и злаков: от фундаментальных исследований к практическому использованию. В сб.: Фундаментальные и прикладные исследования саратовских ученых для процветания России и Саратовской губернии. Саратов, 1999: 153-155.
- Волкогон В.В. Ассоциативные азотфиксирующие микроорганизмы. Мiкробiологiчний журнал, 2000, 62(2): 51-68.
