Най-близката около корените на растението зона в почвата се нарича ризосфера. Тя може да съдържа до 100 милиарда микробни клетки на всеки грам корен и над 30 хиляди прокариотни видове, които, най-общо казано, подобряват растежа на културите. Колективният геном на микробната общност на ризосферата, развиващи се върху корените на растението, се нарича микробиом. Неговото взаимодействие определя здравето на растението в една естествена агро-екосистема. Този микробиом съдейства за разлагането на органичната материя, усвояването на хранителни вещества, абсорбирането на вода и контрол върху плевелите и вредителите. Метагеномното изследване разкрива същността на ризосферата и ендофитната микробиомна активност в Arabidopsis thaliana, чрез използване на 454 последователности (Roche) на 16S рРНК генни ампликони. Става ясно, че използването на подходяща микробиомна трансферна терапия в земеделието може да бъде възможен подход при контрола на болестите при растенията.
Микробните общности в ризосферата като алтернатива на химическите торове са се превърнали в обект на огромен интерес в устойчивото земеделие и програмата за биозащита.
През следващите десетилетия вниманието ще бъде фокусирано основно върху безопасни и екологични методи за използване на полезни микроорганизми в устойчивото земеделско производство. Тези микроорганизми най-общо се състоят от различени естествено възникващи организми, чиято инокулация в почвената екосистема повишава почвените физико-химични характеристики, биоразнообразието на почвените микроорганизми, здравето на почвата, растежа на растенията и устойчивостта на добивите. Полезните микробни популации в земеделието включват в себе си МСРР, фиксиращи азота цианобактерии, микориза, полезни бактерии, потискащи заболеваемостта на растенията, ендофити, намаляващи стреса, и биоразграждащи микроорганизми. Биоторовете се явяват допълнение към традиционните методи за управление на почвите и добивите, като ротация на културите, обработка на почвата, рециклиране на растителните отпадъци, подобряване на плодородието и биоконтрол на патогените и вредителите. Azotobacter, Azospirillum, Rhizobium, цианобактерии, микроорганизми, усвояващи фосфор и калий, и микориза, са някои от МСРР, открити в по-големи количества в неразорани или в подложени на минимална обработка почви. Ефикасни видове Azotobacter, Azospirillum, Phosphоbacter и Rhizobacter могат да осигурят значителни количества азот на Helianthus annus, водещо до увеличаване на височината на растението, броя листа, диаметъра на стеблото, процента пълноценни семена и тяхното сухо тегло. По подобен начин при ориза, добавянето на Azotobacter, Azospirillum и Phizobium подобрява физиологията и морфологията на корена.
Azotobacter играят важна роля в азотния кръговрат в природата, тъй като те притежават разнообразие от метаболитни функции. Освен значението им за азотната фиксация, Azotobacter имат способността да произвеждат витамини като тиамин и рибофлавин, както и растителни хормони, като индолоцетна киселина, гиберелини и цитокини. A. chroococcum подобрява растежа посредством повишаване на кълняемостта на семената и подобряване на коренната архитектура чрез възпиране на патогенни микроорганизми около кореновите системи на растенията. Този род включва различни видове, а именно, А. chroococcum, A.vinelandii, A. beijerinskii, A. nigricans, A. armeniacus и A. paspali. Използва се като биотор за различни посеви, като пшеница, овес, ечемик, сусам, ориз, ленено семе, слънчоглед, рицин, царевица, сорго, памук, юта, захарно цвекло, тютюн, чай, кафе, каучуково дарво и кокосови орехи. Azospirillum e друга непаразитираща, подвижна аеробна бактерия, която може да се развива във вода и способства за различни аспекти от развитието и растежа на растението. Тази бактерия оказва благоприятен ефект върху растежа на културните растения както в парникови условия, така и на полето. Различни видове от рода Azospirillum, в това число A. lipoferum, A. brasilense, A. amazonense, A. halopraeferens и A. irakense подобряват производството на различни посеви. Установено е, че инокулация с Azospirillum променя морфологията на кореновата система, чрез производство на регулиращи растежа субстанции и сидерофори. Тя също така увеличава броя на страничните корени и стимулира формирането на коренови власинки. По този начин се увеличава площта на корена и се абсорбират достатъчно хранителни вещества. Това подобрява водния статус на растението и подпомага хранителния профил в посока на неговия растеж и развитие. Ко-инокулацията на Azospirilium brasiliense и Rhizobium meliloti има положителен ефект върху добивите от зърно и съдържанието на азот, фосфор и калий на Triticum aestivum. Rhizobium се използва от доста години като ефективен азотен фиксатор и играе важна роля за увеличаване на добивите, като превръща атмосферния азот в използваеми форми. Rhizobium са устойчиви на температурни промени и обикновено навлизат в кореновите власинки, където се размножава и образува грудки. Грудковите бактерии увеличават значително добивите от нахут, леща, грах, люцерна захарно цвекло, детелина, фъстъци и соя. Доказано е, че Rhizobium, изолирани от див ориз, снабдяват с азот оризовите растения и способстват за техния растеж и развитие. Един от видовете Rhizobium, Sinorhizobium meliloti 102, заразява култури, различни от зърнено - бобовите. Например, те способстват за растежа на ориза, като повишават ендогенното ниво на фитохормоните и действието на фотосинтезата за повишена поносимост на растението към стрес. При фъстъците, разновидността IRC-6 на Rhizobium способства за увеличаване на броя розови грудки, усилва дейността на нитратните ензими и съдържанието на легхемоглобин, само 50 дни след инокулацията. Ризобиалната симбиоза осигурява защита на културите срещу патогени и вредители, като мексикански бобов бръмбар и оранжерийна белокрилка (Trialeurodes vaporariorum).
Полезните микроорганизми в почвата спомагат земеделското производство в качеството си на биоподобрители. Те разтварят хранителните вещества, което улеснява тяхното усвояване. Усилват растежа на културите посредством подобряване на кореновата им архитектура. Тяхната дейност осигурява различни ползи за растенията, като увеличен брой коренови власинки и активиране на нитратните ензими. Активни разновидности на Azotobacter, Azospirillum, Phosphobacter и Rhizobacter могат да осигурят на растенията значителни количества азот посредством кръговрата на азота. Биоторовете произвеждат фитохормони, който включват индолилоцетна киселина (хетероауксин), гиберелини (GA) и цитокинини (СК). Биоторовете подобряват действието на фотосинтезата за повишена поносимост на растението към стреса и повишават устойчивостта му към патогени, което води към увеличаване на добивите.
Полезните микроорганизми усвояват фосфор за собствени нужди, като обогатяват почвата с неговите разтворими форми. Установено е, че Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus, Flavobacterium, Fusarium, Sclerotium, Aspergillus и Penecillium участват активно в процеса на солюбилизация. NII-0909, фосфатно-разтваряща разновидност на Micrococcus, притежава поливалентни свойства, в това число възможност за разтваряне на фосфати и производство на сидерофори. По подобен начин, два вида гъби, Aspergillus fumigatus и A. niger, изолирани от разлагаща се кора от маниока, чрез твърдо-фазова ферментация превръщат отпадъците от маниока във фосфатни биоторове. Burkholderia vietnamiensis, една устойчива на стрес бактерия, произвежда натриев глюгонат и 2-кетоглюконатни киселини, които участват в разтварянето на фосфата. Установено е, че Enterbacter и Burkholderia, изолирани от ризосферата на слънчоглед, произвеждат сидерофори и индолови съединения, които могат да разтварят фосфат. Калий разтварящи микроорганизми (КРМ), например от родовете Aspergillus, Bacillus и Clostridium, са ефективни в при освобождаването на калия в почвата. Симбиозата между гъби и дървесни корени задоволява нуждите на растението от хранителни вещества, което води до усилване на неговия растеж и защита от патогени и стрес. Това води до усвояването на фосфат от хифите от външната среда и пренасянето му до мицела, а оттам, до клетките на корена. Фиксиращи азота цианобактерии като Aulosira, Tolypothrix, Scytonemd, Nostoc, Anabaena и Plectonema се използват като биотор. Те освобождават азот, субстанции, способстващи растежа и витамини. Водораслото Cylindrospermum musicola пък стимулира растежа на корените и увеличава добивите на ориз. Генното инженерство е използвано за подобряване на потенциала за фиксация на азота на PСС7120, разновидност на Anabaena sperica. Конститутивната експресия на ген hetR, намиращ се под контрола на светлинно индуциран промотър, увеличава производството на HetR протеина, което води до засилване на активността на ензима нитрогеназа в подвида PCC7120 на Anabaena sperica, в сравнение с дивия щам. Това от своя страна подобрява растежа на арпата, когато се прилага в оризищата.
Абиотичният и биотичен стрес са основните фактори, които оказват влияние върху добивите. Инструментите на съвременната наука са широко използвани за ограничаване влиянието на стреса върху растенията. В това отношение, ролята на ризобактериите (РСРР) е придобила изключителна важност. Rhizobium trifoli, инокулирана с Trifolium alexandrinum, показва увеличена биомаса и увеличен брой грудки в условия на стрес от повишена соленост. Установено е, че Pseudomonas aeriginosa издържа на биотичен и абиотичен стрес. Paul и Nair открили, че P. fluorescens MSP-393 произвежда осмолити и протеини, които превъзмогват негативния ефект на солта. P. putida Rs-198 усилва темпа на растеж и различните параметри на растежа, като височина на растението, суровото и сухото тегло на памука в условия на алкална и високо солена среда, посредством увеличаване на приема на калий, магнезий и калций и намаляване поглъщането на натрий. Някои разновидности на Pseudomonas повишават издръжливостта на растенията посредством 2.4 – диацетилфлороглюцинол. Интересно е, че е установена системна реакция срещу P. syringae в Arabidopsis thaliana от P. alcaligenes PsA15. Калцизолът, произвеждан от МСРР (P. alcaligenes PsA15, Bacillus polymyxa BcP26 и Mycobacterium phlei MbP18), осигурява устойчивост на високи температури и солеви стрес. Установено е, че инокулацията на растение с АМ гъби подобрява растежа при солеви стрес. Също така, Achomobacter piechaudii способства за увеличаване на биомасата на домати и чушки в условия на 172 mM NaCl и воден стрес. Интересно е, че кореновата ендофитна плесен Piriformospora indica предпазва гостоприемника си от солеви стрес. При едно от изследванията е установено, че инокулацията на РСРР, самостоятелно или с АМГ, като Glomus intraradices или Glomus mosseae, води до по-добро усвояване на хранителни вещества и подобрение в нормалния физиологичен процес в Lactuca sativa в условия на стрес. Същото растение, третирано с P. mendocina, увеличава биомасата си в условия на солеви стрес. Използването на транскриптомни и микроскопски стратегии показва, че механизмите, участващи в поносимостта на осмотичен стрес са свързани със значителна промяна в транскриптома на Stenotrophomonas rhizophila DSM14405, в отговор на високи солеви концентрации. Комбинация на АМ гъби и фиксиращи азота бактерии помага на бобовите растения да превъзмогват стреса от засучаване. Ефектът от A. brasilense, редом с АМГ, може да се наблюдава и при други растения, като домати, царевица и касава. Комбинация между A. brasilense и АМ подобрява търпимостта на растенията към различен абиотичен стрес. Допълнително, Pseudomonades putida или Bacillus megaterium и АМ гъби са ефективни в борбата със стреса от сзаушаване. Прилагането на Pseudomonades sperica в условия на воден стрес подобрява антиоксиданта защита и фотосинтетичните пигменти в босилека. Интересно е, че комбинацията от три бактериални вида води до най-високата каталазна, глутатионпероксидазна и аскорбатпероксидазна активност и съдържание на хлорофил в листата в условия на воден стрес. Установено е, че Pseudomonas sperica оказва положителен ефект за поникването на семената на A. officinalis L. при воден стрес. След инокулация с АМГ се увеличават фотосинтезната ефективност и антиоксидантната реакция на оризовите растения в условията на стрес от засушаване. Полезните ефекти на микоризата са доказани както в условия на повишена соленост, така и при суша. Чрез кореновата система на растенията, в тях навлизат тежки метали като кадмий, олово и живак, внесени в почвата посредством отпадъци от болници и промишлени предприятия. Установено е, че Azospirillum spp, Phosphobacteria spp. и Glucanacetobacter spp., изолирани от ризосферата на оризища и мангрови дървета, са по-устойчиви на тежки метали и по-специално, на желязо. P. putida 11 (P.p.11), P. putida 4 (P.p.4) и P. fluorescens 169 (P.f.169) могат да предпазват канолата и ечемика от негативните ефекти на кадмия чрез индолилоцетна киселина, сидерофори и 1-аминоциклопропан-1-карбоксилат дезаминаза (ACCD). Съобщава се, че възстановяването на кореновата система в замърсени с петрол почви, може да се осъществи чрез добавянето на микроорганизми под формата на ефективен микробен агент (ЕМА) към различни растителни видове, като памук, райграс и люцерна.
МСРР като биологични агенти са едни от алтернативите на химическите агенти, осигуряващи устойчивост на различни патогенни атаки. Освен, че действат като усилващи растежа агенти, те могат да осигуряват защита срещу патогени, като произвеждат метаболити. Bacillus subtilis GBO3 може да индуцира свързани със защитата пътеки, а именно салицилова киселина и жасминова киселина. Прилагането на проби от МСРР, а именно B. amyloliquefaciens 937b и B. pumilus SE-34 осигурява имунитет срещу петнистия вирус по доматите. B. megaterium IISRBP 17, изолиран от стебло на черен пипер, действа срещу Phytophthor capsici. становено е, че Bacillus subtilis N11 добавен към узрял компост, контролира заразяването на корените на банана с Fusarium. По подобен начин, B. subtilis (UFLA285) осигурява устойчивост срещу R. solani и също така индуцира нарастване на листната маса и корените на памуковите растения. В едно друго интересно изследване, Paenibacillus polymyxa SQR-21 е бил идентифициран като потенциален агент за биоконтрол на изсъхването при динята, дължащо се на Fusarium.
Установено е, че използването на МСРР е ефективно за контрол на петнистия вирус по доматите, краставичния мозаечен вирус при доматите и пипера, както и вируса по бананите BBTV. В редица случаи е доказано, че редом с бактериите, микоризата също може да осигури защита срещу гъбни патогени и да възпрепятства развитието на много патогени в корените, като R. solani, Pythium spp., F. oxysporum, A. obscura и H. annosum, чрез подобряване на хранителния профил на растението и посредством това, продуктивността. Например, Glomus mosseae е ефективен срещу Fusarium oxysporum f. sp. basilica, който причинява изгниване на корените при босилека. Също така, Medicago tranculata показва индукция на различни защитни гени, свързани с колонизацията на микоризата. Установено е, че добавянето в почвата на арбускуларни микоризни гъби (АМГ) и Pseudomonas fluorescens може да ограничи развитието на кореновото гниене и да увеличи добивите от фасул (Phaseolus vulgaris L.)
Микоризата е специфично образувание между хифите на някои гъби и корените на висшите растения. И макар, че засега остава загадка, тя служи като системен модел за разбирането на механизма на стимулиране растежа на кореновите клетки като резултат от тази симбиоза. Секвенирането на генома на две ектомикоризни вида гъби, L. bicolor 13 и T. melanosporum (черен трюфел), спомогна да се идентифицират факторите, регулиращи развитието на микоризата и нейната функция в клетката на растението. Идентифицирани са 15 гена в L. bicoclor, които се определят като възможни транспортери на хексоза. В нейния геном липсват гени, кодиращи ензима инвертаза, което я прави зависима от растението за глюкоза. В същото време, T. melanosporum притежава един инвертазен ген и за разлика от L. bicolor, може директно да използва захарозата на гостоприемника. Регулацията на транспортните гени по време на симибиозата показва пренасяне на полезни съединения като аминокиселини, олигопептиди и полиамини, от един организъм на друг в резултат от симбиозата. Свободно живеещият мицел може да поеме азот и амониеви йони от почвата. Впоследствие, те достигат до мицелната мантия и вътрешния мицел, след което преминават в растението. Богатите на цистеин белтъци (MISSP7) на гъбата играят важна роля за и улесняване и осъществяване на симбиотичните взаимодействия. Много гени, свързани с биосинтеза на ауксин и морфогенезата на корените, се индуцират по време на микоризната колонизация. Гъбата G. versiforme притежава в хифите си транспортери за неорганичен фосфат (Pi), които помагат за директната абсорбция на фосфат от почвата. А в G. intraradice е открит ген, кодиращ синтеза на глутамин, който засилва възможността за азотен метаболизъм в хифите на гъбата, който след това може да бъде транспортиран до растението. Предполага се, че биоактивни вещества, наречени Myc фактори, подобни на Nod факторите на ризобиите, се отделят от микоризата и се възприемат от корените на гостоприемника. Така се активира сигнален трансферен път или общ симбиозен път (SYM). Пътищата, които подготвят растението за АМ и Rhizobium заразяване, имат някои общи точки. Общият SYM път подготвя растението гостоприемник за промените на молекулярно и анатомично ниво още при първия контакт с хифите на гъбата. Предполага се, че калцият е центърът на вторичните сигнали, който прониква в клетките на кореновите власинки. От изследвания става видно, че Rhizobium leguminosarum biovar viciae може да индуцира различни гени в растения като грах, люцерна и захарно цвекло. РСРР синтезират индолилоцетна киселина, която от своя страна индуцира производството на азотен оксид (NO), който действа като вторичен сигнал, отключващ сложна сигнална мрежа, водеща до по-добър растеж на корените и стимулиране на процеса на развитие.
Експресията на ENOD11 и много свързани със защитата и ремоделирането на корените гени се индуцират по време на навлизането на гъбата. Впоследствие, това позволява образуването на апарат за пенетрация. Въпреки, че биологията на образуването на арбускулите е неизвестна, изрязването на един ген, наречен Vapyrin, води до понижено нарастване на арбускулите. Известно е, че много други гени, в това число субтилизин протеаза, фосфат транспортер или два АВС транспортери, имат отношение към формирането на арбускули. Фиксиращи азота гени се използват от учените за създаване на растения, които могат да фиксират атмосферния азот.
Индукцията на nif гените при фиксиращи азота бактерии се осъществява при ниска концентрация на азот и кислород в ризосферата. Интересно е, че инокулацията на захарна тръстика с див щам на G. diazotrophicus, е показала фиксация на радиоактивен азот, в сравнение с мутирал G. diazotrophicus, който има мутирал nif D ген. Това доказва значението на nif гените. Продуктивността на азотната фиксация зависи от използването на въглерод. Бактерия като Bacillus subtilis(UFLA285) може да индуцира диференциално в растението памук 247 гени, за разлика от контролните експерименти, при които памуковото растение не е било инокулирано с МСРР. Много от устойчивите на болести гени, които действат посредством жасмонат/етилен сигнализиране, както и осмотична регулация посредством гени, синтезиращи пролин, са били диференциално експресирани с UFLA285 индукция. Били са идентифицирани различни диференциално експресирани гени, като протеин тип 1, подобен на металтионините, мембранен интегрален протеин, подобен на NOD26, ZmNIP2-1, протеин от семейството на тионина, гама прекурсори на ориксаин, стрес-асоциран протеин 1 (OsISAP1), пробеназол-индуциран протеин PBZ1 и ауксин и гени, отговарящи за етилена. Установено е, че eкспресията на свързаните със защитата протеини PBZ1 и тионини се потискат в асоциации между ориз и H seropedicae. Това показва, че се осъществява модулация на растителната защита по време на колонизацията. Предполага се, че сред видовете МСРР, Azospirillum отделя гиберелини, етилен и ауксини. Някои свързани с растението бактерии може да индуцират фитохормонен синтез. Така например, когато смърч се инокулира с Paenibacillus polymyxa, се наблюдават повишени нива на индолилоцетна киселина в неговите корени. Установено е, че Rhizobium и Bacillus синтезират индолилоцетна киселина в различни условия, като киселинност, температура и в присъствието на агроотпадъци като субстрат. Етиленът, за разлика от други фитохормони, е отговорен за забавяне на развитието на двусемеделните растения. Установено е, че МСРР могат да усилят растежа на растението посредством потискане на експресията на етилен. Интересно е, че е бил предложен модел, в който е показано, че синтезата на етилен от 1-аминоциклопропан-1-карбоксилат (АСС), един непосредствен прекурсор на етилен, хидролизиран с бактериален АСС-дезаминаза, нуждаеща се от азот и въглерод, е също един от механизмите за индукция на подходящи условия за растеж. Открита е също така АСС-дезаминазна активност в бактерии, като Alcaligenes sp., Bacillus pumilus, Pseudomonas sp. и Variovorax paradoxus.
Участието на АСС деаминазата в индиректното влияние на растежа на растенията е доказано при канола, където мутации в АСС деаминазния ген причиняват загуба на ефекта на растежа от действието на Pseudomonas putida. Потенциалът на МСРР е бил увеличен с въвеждането на гени, участващи в пътя на директно окисляване и в разтваряне на минерален фосфат в някои щамове на МСРР. Генът, кодиращ глюкозна дехидрогеназа (GCD), участващ в пътя на директно окисляване, е бил клониран и характеризиран от Acinetobactre calcoaceticus и E. coli и Enterobacter asburiae. Също така, ген, кодиращ разтворима форма на GCD е бил клонирана от Acinetobacter calcoaceticus и G. oxydans. Има научни доклади за проведена насочена мутагенеза на глюкозна дехидрогеназа (GDH) и глюконат дехидрогеназа (GADH), което е довело до повишение на активността на този ензим. Просто заместване на S771M осигурява топлинна стабилност на E. coli, докато мутация на глутамин 742 в лизин подобрява EDTA търпимостта на E. coli PQQGDH. Прилагането на тази технология е постигнато чрез трансфер на гени, участващи в пътя на директното окисляване, като GDH, GADH и пиролокинолин (PQQ), към ризобактерии, и на фосфоенолпируват карбоксилаза (PCC) към P. fluorescens.
The European Commission support for the production of this publication does not constitute endorsement of the contents which reflects the views only of the authors, and the Commission cannot be held responsi-ble for any use which may be made of the information contained therein.
