Мінеральне харчування. Фіксація азоту

Ви перебуваєте: Мінеральне харчування

Однієї з найважливіших завдань біохіміків, зацікавлених у збільшенні продуктивності сільського господарства, є підвищення ефективності азотфиксации, тому що ріст рослин найчастіше лімітує недостатнє постачання їх фіксованим азотом. Азот у формі стабільної молекули N2 становить 80% атмосфери. Перед фіксацією (відновленням азоту до аміаку) ця молекула повинна якимсь образом дестабілізуватися й розщепитися. аміак, що утворюється при фіксації (NH3) може поглинатися коріннями рослин як такий або після його окиснення ґрунтовими мікроорганізмами до нітратів (N03-). У більшості ґрунтів утвір NO3- з NH3 відбувається настільки швидко, що більша частина азоту поглинається коріннями у вигляді NO3-.

Фіксація азоту здійснюється головним чином деякими вільно живучими бактеріями, що споживають органічну речовину ґрунту. До них ставляться, наприклад, аеробна форма Azotobacter і анаэробная - Clostridium. Бактерії роду Rhizobium, які теж беруть участь у фіксації азоту, живуть у кореневих пухлинах або клубеньках певних видів рослин (мал. 7.3). РослинаиХазяїн належить звичайно до сімейства бобов, що включає горох, боби, сою, люцерну, конюшину й вику. Недавно проведені дослідження показали, що азотфиксирующие бактерії роду Spirillum оточує коріння тропічної трави Digitaria. Ця слабка асоціація корінь трави й бактерій у ризосфері, можливо, представляє проміжну еволюційну стадію між свободноживущим азотобактером і локалізованим у клубеньках ризобиумом. Рослина 'залучає' бактерії за допомогою органічних кореневих виділень. Мікроорганізми ризосфери у свою чергу постачають рослини фіксованим азотом. Деякі синьо-зелені водорості (такі, як Апаьаепа й Nostoc) і фотосинтезуючі бактерії (Rhodospirillum) можуть фіксувати атмосферний азот, енергетично сполучаючи цей процес із фотосинтезом. Зазначені організми є найбільш вираженими автотрофатмі біологічного миру, хоча деякі штами Апаьаепа живуть і ефективно фіксують азот лише в асоціації з особливими 'карманчиками' водяної папороті Azolla. Причини цього явища не з'ясовані.

Взаємовигідна асоціація двох організмів називається симбіозом. Тому що ні Rhizobium, ні рослинаихазяїн окремо не здатні фіксувати й відновлювати атмосферний азот, біологічний комплекс у клубеньке потрібно розглядати як симбиотическую асоціацію бактерій і рослину-хазяїна. Кожний тип рослинияхазяїна має свій власний симбиотический Rhizobium. Взаємне дізнавання рослинияхазяїна й бактерій здійснюється шляхом прикріплення особливого білка (лектина) кореневого волоска, що перебуває на поверхні кліток, до специфічної бактерії. Після прикріплення до хазяїна організм, що вторгається, проникає в клітки незвичайно скривлених кореневих волосків, які, мабуть, деформуються під впливом виділюваних бактеріями ростових гормонів групи ауксину. Усередині кліткиххазяїна бактерії діляться потомство, що й утворювалося, змінює свою форму, перетворюючись у бактероиды, що втримуються в інфекційній нитці, яка проходить від верхівки клітинної стінки кореневого волоска через центр клітки (мал. 7.4).

Остаточним результатом такого проникнення бактерій є надзвичайно сильне розростання кліток кореня, що приводить до утвору бородавчастих опуклостей, називаних клубеньками. Ризобиум здатний ефективно фіксувати азот, лише перебуваючи в клубеньках такого типу

Асоціація між Spirillum і його рослиноюмхазяїном теж ставиться до симбиотической, але вона обмежена поверхнею корінь. Це менш міцний тип асоціації, тому що Spirillum можна вирощувати окремо від хазяїна при наявності достатньої кількості живильних речовин. Тому вчені вивчають можливість великомасштабного культивування цих бактерій як джерел фіксованого азоту. Було також показане, що іноді дані бактерії живуть в асоціації з кукурудзою. Це відкриває можливість виведення штамів, здатних до фіксації азоту на тих видах рослин, які звичайно не мають азотфиксирующих бактерій

Фіксація азоту здійснюється Fe2+- і Мо_-утримуючим ферментом нитрогеназой. Рослини, що живуть в асоціації з азотфиксирующими бактеріями й залежні від цього ферменту, не реагують на додавання азотсодержащих добрив, тому що аміак (NH3), присутній у них або утворений із внесеного азотсодержащего матеріалу, пригнічує активність генів, керуючих синтезом нитрогеназы. Тому спроби підвищити рівень азотфиксации включають пошуки азотфиксирующих бактерій, позбавлених здатності регулювати синтез нитрогеназы за принципом ' зворотного зв'язку'. У регульований механізм, мабуть, залучений фермент глутаминсинтетаза, оскільки синтез нитрогеназы відбувається лише при високому змісті глутаминсинтетазы. Недавно були знайдені мутантні бактерії, що містять велику кількість глутаминсинтетазы. Вони продовжують синтезувати нйтрогеназу навіть у присутності NH3. Таким чином, пошук бактерій з високою ефективністю азотфиксации видасться багатообіцяючим.

Крім нитрогеназы, яка зв'язується з молекулою N2 і дестабілізує її, для відновлення N2 до NH3 необхідні сильний восстановитель і АТР. Ферредоксин - переносник електронов, що участвующий також і у фотосинтезі, - служить головним агентом, що відновлює. При симбиотической азотфиксации АТР поставляється рослиною хазяїном і кількість фіксованого азоту часто обмежується швидкістю фотосинтезу. Тому 'удобрюючи' рослину, наприклад сою, двоокисом вуглецю, у принципі можна підвищити загальну фіксацію азоту завдяки збільшенню кількості метаболітів, що утворюються при фотосинтезі. Однак це важко здійснити на практиці при обробленні польових культур

Усі азотфиксирующие системи можна отруїти навіть следовыми кількостями кисню. Це означає, що фермент нитрогеназа навіть в аеробних клітках повинен утримуватися в основному в анаэробных умовах. У кореневих клубеньках бобових це досягається за допомогою леггемоглобина (Lhb) - червонуватого залізовмісного аналога тваринного пігменту. Подібно гемоглобіну крові й міоглобіну м'язів, леггемоглобин може зв'язуватися з киснем:

Таке зв'язування забезпечує ефективне видалення кисню, що перебуває поблизу від нитрогеназы, і оптимальні швидкості азотфиксации. Кисень, пов'язаний з леггемоглобином, може бути також використаний для утвору АТР у процесі подиху. Це має дуже велике значення, тому що для фіксації азоту необхідні значні кількості АТР. Як правило, чому червоніше клубенек, тем активніше в ньому йдуть процеси азотфиксации. ВвВ- азотфиксирующей синьо-зеленої водорості Nostoc нитрогеназа, мабуть, локалізована в гетероцистах, спеціальних нефотосинтезирующих анаэробных клітках (мал. 7.5). Ця структурна організація служить також для ізоляції азотфиксирующей системи від кисню, що виділяється в процесі фотосинтезу

Деякі мікроорганізми, що живуть у ґрунті, можуть окиснити аміак (NH3) до нітратів (NO3-). Більшість рослин воліють поглинати, і використовувати азот, внесений у вигляді нітрату, хоча такий азот у підсумку включається в рослинний матеріал у формі високо-відновлених аміногруп (-NH2). Фермент нитратредуктаза відновлює нітрати назад до амонію за допомогою відновлених дихальних переносників, таких, як NADPH. Нитратредуктаза, імовірно, містить молібден у своєму активному центрі, і це, можливо, є головної метаболической роллю молібдену в рослинах. Відновлення N03~ до NH3 може, мабуть, відбуватися через такі проміжні з'єднання, як азотиста кислота (HONO) і гидроксиламин (NH2OH).

Аміак токсичний для рослинних кліток, тому він не повинен накопичуватися в них у більших кількостях. Аміак звичайно перетворюється в амінокислоти, вступаючи в реакцію з аокетоглутаровой кислотою (метаболіт циклу Кребса), у результаті чого утворюється глутаминовая кислота, а при подальшім додаванні аміаку - глутамин, амидглутаминовой кислоти (мал. 7.6).

Інші амінокислоти синтезуються в ході ферментативного процесу переаминирования, при якім глутаминовая кислота взаємодіє з іншими кетокислотами, попередниками нових амінокислот, переносячи на них свою аміногрупу й перетворюючись знову в аукетоглутаровую кислоту. Аспарагінова кислота є одним з перших продуктів реакції переаминирования. У цьому випадку рецептором аміногрупи служить щавелевоуксусная кислота. При додатковім зв'язуванні аміаку з аспарагіновою кислотою утворюється аспарагин - амід аспарагінової кислоти. Переважно у формі цих чотирьох компонентів - глутаминовой кислоти, глутамина, аспарагінової кислоти й аспарагина - і транспортується фіксований азот від кліток длубати по всій рослині. Деякі амінокислоти утворюються шляхом модифікації вуглецевого кістяка предсуществующей амінокислоти

Таким чином, загальний круговорот азоту в природі являє собою оборотний перехід його вільної газоподібної форми в атмосфері у фіксовану форму в ґрунті або біологічній системі. У рослинних клітках поглинені нітрати знову відновлюються до аміаку, який потім зв'язується з певними органічними кислотами, у результаті чого утворюються амінокислоти, а потім білки. Ці речовини переварюються тваринами й перетворюються у тваринні білки й азотисті продукти обміну - сечовину й сечову кислоту. В остаточному підсумку всі тварини й рослини відмирають і розкладають у ґрунті з утвором простих азотистих речовин, таких, як аміак. Ці речовини постійно рециркулируют через біологічні системи, створюючи круговорот азоту (мал. 7.7).

Завдяки дії денитрифицирующих бактерій фіксований азот у вигляді вільного молекулярного азоту вертається в атмосферу, звідки він знову може фіксуватися бактеріями. Денітрифікація - досить марнотратний процес. Його можна тепер сповільнити в ґрунті за допомогою хімічних сполук, спеціально призначених для цієї мети. Їхнє застосування повинне надати істотну допомогу сільському господарству

Фермент нитрогеназа, який зв'язується з молекулою. N2(N=N) і відновлює її до аміаку (NH3), може також приєднувати ацетилен (НС=СН) і відновлювати його до этилена (НС=СН). Виявлення цієї активності лежить в основі методу, за допомогою якого азотфиксирующую активність рослини можна визначити безпосередньо в поле. Певна кількість ацетилену у вигляді газу вноситься в корені населене середовище рослини й через якийсь час віддаляється' Кількість ацетилену, перетворене в этилен, служить показником азотфиксирующей здатності корінь даного рослини. Оскільки як ацетилен, так і этилен є газами, навіть незначні їхні кількості можна аналізувати методом газової хроматографії, що дозволяють без більших витрат швидко одержувати точні дані. Використовуючи цей метод, фізіологи рослин досліджували азотфиксирующую здатність рослин сої в онтогенезі й вивчили фізіологічні фактори, що впливають на ефективність процесу. Це важливо для виявлення шляхів подальшого підвищення продуктивності рослин