Роль ростостимулирующих бактерий в аккумулировании селена растениями

• ¹    Federal State Budgetary Research Institution ‘All-Russian Research Institute

of Vegetable Breeding and Seed Production’

143080, Russia, Moscow region, Odintsovo district, p. VNIISSOK, Selectionnaya St, 14

• ²    Moscow state University of Food Technology 125080, Russia, Moscow, Vrubelya St, 12

• ³    Federal State Budgetary Educational

Institution of the Higher Education

‘Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin’

644008, Russia, Omsk, Institutskaya square, 1

Selenium deficiency is widespread among the human populations of different countries of the world and associating with cardiovascular diseases and cancer that determines the necessity to develop new technology needs to increase selenium accumulation levels by agricultural crops. Besides that, the utilization of selenium containing food supplements, soil and foliar application of selenium salts are the most popular approach to resolve the selenium deficiency problem. At the same time there is a certain drawback of selenium plant biofortification, which is a low accumulation of the element, and as a result, the possibility of environmental pollution caused the element. The review is devoted to a new direction in improving plant selenium accumulation via utilization of rhizobacteria; their participation in selenium cycle; mechanism of bacteria-selenium-plant interaction; the role of volatile compounds, released by rhizobacteria, on selenium accumulation. The questions that were separately considered were regarding rhi-zobacteria Microbacterium oxydans extracted from Cardamine hupingshanesis that had an exceptionally high resistance to selenium impact and ability to synthesize selenocystin.

Ш ирокое распространение селенодефицита среди населения разных стран мира и связанные с этим явлением хронические заболевания, такие как различные формы рака и сердечно-сосудистые заболевания, обуславливают интенсивные поиски агрохимических методов решения проблемы путем повышения уровней аккумулирования микроэлемента сельскохозяйственными культурами, являющимися первым звеном переноса селена из почвы в организм человека (Голубкина, Папазян, 2006). Значительные успехи в вопросах биофортификации путем корневого или внекорневого внесения солей селена, тем не менее, имеют определенные недостатки, связанные с низким процентом усвоения вносимого микроэлемента растениями и возможностью загрязнения окружающей среды селеном, способным проявлять токсическое действие при повышенных концентрациях (Haug et al, 2007).

Располагаясь в 6 группе периодической системы Менделеева, селен может присутствовать в почве в виде селенатов (Se+6), селенитов (Se+4), селенидов (Se-2, преимущественно органических производных) и элементарного нанораз-мерного селена (Seo). Содержание подвижных биодоступных для растений форм селена в почве зависит от характера почвы (в частности, содержания глины), рН, окислительно-восстановительного потенциала и в значительной степени определяется присутствием в ризосфере ростостимулирующих бактерий (РСБ) и грибов.

Ризосфера представляет собой зону почвы, непосредственно связанную с секрецией веществ корнями растений. Огромное количество ризосферных микроорганизмов (или ростостимулирующих ризобактерий, РСБ), симбиотически связанных с растением-хозяином, активно участвует в росте и развитии растения и адаптации к различным условиям окружающей среды, к стрессовым условиям и особенно сильно выражается в условиях дефицита питания (Hawkesford et al, 2007).

Наиболее изученными для ризобакте-рий является способность улучшать биодоступность макронутриентов, таких как фосфор и азот (Ahemada, Kibret, 2014). Секреция корнями растений органических соединений не только обес- печивает питанием почвенные бактерии, но также ингибирует развитие патогенов и определяет состав и разнообразие микробиоты в ризосфере. Некоторые штаммы РСБ могут синтезировать и выделять нелетучие фитогормоны, антибиотики, сидерофоры и т.п. (Ahemada, Kibret, 2014), а также летучие органические соединения, оказывающие мощное положительное действие на растения (Wang et al, 2017).

Высокие концентрации селена являются токсичными для большей части растений и микроорганизмов. В этих условиях (районы селенозов) природная селекция селеноустойчивых видов привела к возникновению растений - гипераккумуляторов селена и селенозависимых штаммов почвенных бактерий (Pilon-Smith, 2015; de Souza et al, 1999). В настоящее время накоплен обширный материал по участию микроорганизмов почвы в окислительно-восстановительных реакциях между Se⁺⁶, Se +4 , Se -2 и Se 0 (Dwivedi et al, 2013), обеспечивающих, с одной стороны, защиту бактерий и растений от токсического действия селена, с другой – эффективное усвоение микроэлемента растениями.

В зависимости от характера взаимосвязи с поступающим из окружающей среды селеном почвенные бактерии подразделяют на селеноустойчивые формы и формы, использующие микроэлемент в качестве источника энергии. Первые обитают преимущественно в аэробных условиях, обеспечивая собственную защиту от токсического действия селена благодаря использованию различных ферментов, чаще всего глутатион редуктаз (Ridley et al, 2006; Watts et al, 2003). Вторые способны жить в анаэробных системах, используя селенаты и селениты как единственный акцептор электронов в процессе дыхания (Ormland et al, 2004). Эти формы составляют наибольшую часть селенозависимых бактерий (Oremland et al, 2004). Наиболее распространенной среди бактерий этой группы является Thauera selenatis (Schroder et al., 1997). Описаны селенозависимые штаммы Pseudomonas aeruginosa, Bacillus sp, Enterobacter sp, Stenotrophomonas sp, Pantoea sp, Acintobacter sp., Klebsiella sp (Prakash et al, 2009; Yadav et al, 2008; Dhanjal, Cameotra, 2010; Dwivedi et al,

2013; Acuna et al, 2013). Бактерии, принадлежащие Firmicutes (Bacillus, Paenibacillus) , и протеобактерии (Pseudomonas, Enterobacter) , стимулируют химические превращения селена посредством окисления, восстановления и метилирования в почвах, загрязненных селеном (Losi, Frankenberger 1997; Fordyce 2007; Fernandez-Martinez and Charlot, 2009). Селенозависимые бактерии, осуществляющие метаболизм микроэлемента (Acuna et al, 2013), широко распространены в океанах, водных седиментах, заболоченных почвах, почве и ризосфере растений (Dhanjal, Cameotra, 2010; Baesman et al, 2009; Hunter et al, 2009). Быстрое появление селенозависимых бактерий в условиях обогащения растений микроэлементом предполагает широко распространение первых как в почвах, характерных для районов селенозов, так и почвах с низким уровнем микроэлемента. Первое описание штамма Thauera selenatis, использующего селен для дыхания и восстанавливающего Se⁺⁶ до Se⁰, было сделано в 1993 году (Macy et al, 1993). Использование соединений селена в дыхании характерно для бактерии разных филогенетических групп: грамположительных, β -, γ - и _ε -протеобак-терий, указывающих на их широкое распространение (Macy et al, 1993; Newman et al, 1997; Blum et al, 1998). Установлено, что среди РСБ эндофитные бактерии Bacillus sp . E5 и Acinetobacter sp. E6.2 в 39 раз более устойчивы к воздействию селена, чем ризобактерии (Durбn et al. 2014; Etesami et al. 2014; Acu ň a et al. 2013), что делает их применение более перспективным в обогащении растений селеном. Симбиоз с арбускулярными микоризными грибами может вносить дополнительный вклад в повышение уровня селена в растениях и усиление антиоксидантного статуса растений (Dur á n et al. 2014). Описана повышенная устойчивость Pseudomonas sp . к высоким (до 150 мМ) концентрациям селена, а также присутствие наночастиц селена и органических форм последнего в Bacillus sp. E5 и Acinetobacter sp. E6.2 (Mora et al, 2015),

С другой стороны, следует отметить, что отдельные штаммы ризобактерий способны не только увеличивать, но и снижать уровень аккумулирования микроэлемента. Так, отдельные бактерии рода Klebsiella относят к селеноустой-

1. Селенозависимые ростостимуирующие ризобаактерии, использующиеся для обогащения сельскохозяйственных растений селеном

Растение	Бактерии	Литература
	Протеобактерии Ps33, эндоспорообразующие грамотрицательные бактерии B100	Oancea et al, 2014
	Bacillus cereus-YAP6 и Bacillus licheniformis-YAP7	Yasin et al, 2015a
Triticum aestivum	Enterobacter sp. B16, Stenotrophomonas sp. B19	Acuna et al, 2013
	Enterobacter sp. B16, Stenotrophomonas sp. B19, Pseudomonas sp. R12, Bacillus sp. R8	Duran et al, 2013.
Arabidopsis	Bacillus amyloliquefaciens BF06	Wang et al, 2017
B. juncea	Селеноустойчивые штаммы бактерий G1 и G2	Yasin et al,2015
Cardamine hupingshanesis	Microbacterium oxydans, грамположительные бактерии семейства Brevibacterium frigoritolerans	Tong et al, 2014

чивым бактериям, однако описано двукратное снижение уровня селена в газонных травах (райграс, овсяница луговая) при использовании Klebsiella planticola и Klebsiella pneumoniae (Соколова,2006).

Попытки применения РСБ для обогащения сельскохозяйственных бактерий селеном начаты только в последние годы. При этом объектом исследования, как правило, оказывается пшеница, что, несомненно, связано с тем, что именно пшеница является важнейшим источником микроэлемента для человека, и известна прямая корреляция между селеновым статусом населения и содержанием микроэлемента в зерне (Golubkina, Alfthan, 1999).

Исследования 2013 года на пшенице позволили выявить селенозависимые штаммы бактерий Enterobacter sp. B16, Stenotrophomonas sp. B19 (Acuna et al, 2013; Duran et al, 2013), а также Pseudomonas sp. R12, Bacillus sp. R8 (Duran et al, 2013), способные достоверно повышать содержание микроэлемента в наземной части растений.

Скрининг 262 бактериальных препаратов, выделенных из ризосферы корней пшеницы (Oancea et al, 2014), позволил выявить 2 селенозависимых штамма: протеобактерий Proteobacteria phylum Ps33 и эндоспорообразующих грамотри-цательных бактерий B100. Их использование при выращивании пшеницы обеспечивало значимое повышение уровня микроэлемента в наземной части без использования экзогенных источников микроэлемента.

В 2015 году исследования (Yasin et al, 2015a) двух штаммов селеноустойчивых бактерий Bacillus cereus-YAP6 и Bacillus licheniformis-YAP7 при выращивании пшеницы показали, что бактериально инокулированные растения отличались большей массой и имели более высокие уровни селена, серы, кальция и железа в стеблях (375%, 40%, 55%, и 104%, соответственно) по сравнению с неинокули-рованными контрольными растениями, обработанными селеном. Уровень селена, серы, кальция и железа в зерне также оказался повышенным (на 154%, 85%, 60%, и 240%, соответственно). Оба штамма проявили устойчивость к другим токсичным элементам, таким как мышьяк, кадмий, кобальт, хром, медь, марганец и цинк. Оптимальные температура и рН для роста штаммов составили 37°C и pH 7, соответственно, хотя оба штамма могут расти хорошо в достаточно широком диапазоне температур (28…45°C) и щелочном рН. Оба штамма обладали высоким селеновосстанавливающим потенциалом, превращая 92% селенита в элементарный селен за 48 час.

Особый интерес представляют исследования по использованию селенозависимых бактерий при выращивании араби-допсиса (Wang et al, 2017). Установлено, что Bacillus amyloliquefaciens (штамм BF06) способны выделять летучие органические соединения, участвующие в ускорении роста, интенсификации фотосинтеза, проявлении индуцированной системной устойчивости и улучшении усвоения растениями некоторых нутриентов из почвы. Генетический анализ выявил существенные изменения под действием летучих соединений, выделяемых BF06 штаммом, в генах, ответственных за транспорт аминокиcлот, усвоение железа и перенос сульфатов, приводящих к усилению аккумулирования железа и селена.

Показано, что РСБ могут участвовать во многих физиологических процессах растения-хозяина, не находясь в физическом контакте с корнями путем выделения летучих соединений [Ryu et al,2003, 2004]. Исследования позволяют утверждать, что летучие соединения микроорганизмов являются новым типом регуляторов роста и развития растений [Wenke et al, 2010]. Интересно в связи с этим отметить, что, несмотря на то, что такие летучие соединения не содержат ни фитогормоны (например, ауксин или цитокинин), ни железо хелатирующие агенты (сидерофоры), они усиливают биосинтез эндогенных фитогормонов и усвоение железа растениями [Farag et al, 2013]. Предполагают, что летучие соединения микроорганизмов могут выступать в роли сигнальных молекул в симбиозе корни – микроорганизмы, участвуя в росте растений и повышении устойчивости к патогенам [Effmert et al, 2012; Farag et al, 2013]. В настоящее время установлено, что многие бактерии (например, Paenibacillus [Zhou et al,2016, 2016a], Bacillus [Zhang et al, 2009], Pseudomonas [Park et al, 2015]) выделяют летучие соединения, активно участвующие во взаимодействии растения – микроорганизмы. Для Bacillus subtilis GB03 [Ryu et al, 2003] и Pseudomonas chlororaphis O6 [Cho et al, 2008], одним из таких летучих соединений является 2,3-бутандиол, способный регулировать рост растений и повышать стрессоустойчивость путем модуляции различных метаболических путей. Доказано, что растения, инокулированные штаммами Bacillus, и растения, обработанные экзогенным бутандиолом, проявляют повышенную системную устойчивость. Кроме того, летучие соединения серы, в частности, диметил дисульфид Bacillus sp. B5 восстанавливают рост растений и усиливают аккумулирование серы в условиях дефицита последней [Meldau et al, 2013]. Штамм BF06 селенозависимых бактерий Bacillus amyloliquefaciens, выделенный из почвы при обогащении растений селеном, синтезирует летучие соединения, способствующие росту растений и усилению усвоения растениями селена, путем регулирования некоторых генов, ответственных за биосинтез транспортеров сульфата.

В исследовании вторичного аккуму- лятора селена – индийской горчицы Brassica juncea (Yasin et al, 2015) при выращивании на почвах, загрязненных селеном (концентрация селена составила в почве около 8 мг Se/кг), были выделены селеноустойчивые бактерии G1 и G2. Накопление микроэлемента листьями горчицы достигало 711 мг Se/кг сухой массы, стручками – 276 мг/кг с.м., семенами 9 358 мг/кг с.м. Инокуляция растений с G1 бактериями приводила к ускоренному росту и повышению семенной продуктивности по сравнению с контрольными растениями и G2-инокулированными растениями. В варианте с использованием бактерий

G1 авторы отмечали повышение интенсивности фотосинтеза, устьичной проводимости и уровня аккумулирования селена листьями и семенами на фоне отсутствия изменений в содержании серы. Эксперименты с применением антибиотика ампициллина показали, что такие бактерии ускоряют эмиссию селена на 35% и увеличивают аккумулирование селена на 70%. По сравнению с растениями, выращиваемыми на стерильной среде, в присутствии РСБ индийская горчица накапливала в 5 раз больше селена в корнях, обеспечивая четырехкратное ускорение процесса эмиссии летучих соединений селена.