Азотобактер туысы бактерияларының фитопатогенді саңырауқұлақтарға қатысты антогонистік белсенділігі бар штамдарды сұрыптау

Таралуы. Azotobacter туысының өкілдері бейтарап және әлсіз сілтілі топырақта таралған, қышқыл топырақтан бөліп ала алмаймыз. Оңтүстік және солтүстік аудандарда экстремальды жағдайларда да табылған. Құрғақ топырақтарда туыстың өкілдері 24 жылға дейін циста түрінде сақталуға қабілетті. Сонымен қатар Azotobacter туысының өкілдері суда мекендейтін түрлерін тұзды болоталардан, тығыздалған көлшіктерден бөлініп алынған. Azotobacter туысының кейбір өкілдері өкілдері өсімдіктермен ассоцияцияланған және ризосферада мангр ағаштарынан азот фиксерлеуші, денитрифицерлеуші бактериялармен бірлескен түрде бөлініп алынған.

Азотфиксация .Azotobacter туысының өкілдері азотфиксаторлармен еркін тіршілік етеді, Rhizobium туысынан айырмашылығы өсімдіктермен симбиоздық қатынасқа түспей атмосферадан молекулярлы азотты фиксерлейді. Туыстың кейбір түрлелі өсімдік – иесімен ассоцияцияға түседі.

Azotobacter туысының өкілдері азотфиксациялау үшін ферменттердің толық комплексіне ие: ферродоксиндер, гидрогеназалар және маңызды фермент – нитрогеназалар. Азотфиксация процесі энергияға тәуелді және энергияны АТФ түрінде талап етеді. Азотты фиксациялау процесі оттегінің қатысына сезімтал, сондықтан туыс өкілдері оттегі әсеріне қарсы ерекше клеткадағы оттегінің концентрациясын төмендететін механизм – тыныс алу деп аталатын қорғаныс механизмі жұмыс істейді. Сонымен қатар нитрогеназаны қорғайтын оттегінің әсерінен болатын клеткалардың өлуінен сақтап қалатын ерекше Shethna белогы болады. Бұл белокты өндірмейтін мутанттар азотфиксация уақытында оттегінің қатысымен өлімге ұшырайды. Азотфиксация процесінде Azotobacter – дің гомоцитрат – иондары негізгі рөлде ойнайды.

Нитрогеназалар. Азотфиксацияға қатысатын нитрогеназды комплекс маңызды фермент болып табылады. Azotobacter туысының өкілдерінен нитрогеназаның бірнеше типі табылған–Mo-Fe-нитрогеназа және альтернативті нитрогеназалар: молибден иондарына тіуелсіз ванадийді қамтитын, температура төмен жағдайда Mo-Fe-нитрогеназадан белсендірек V-нитрогеназалар. Азот фиксациялауда V-нитрогеназалардың тиімділігі температура 5◦C-қа дейін төмендегенде де тоқтамайды. V-нитрогеназаның Mo-Fe-нитрогеназаға қарағанда температура 10 есе төмендегенде белсенділігі азайған және кәдімгі нитрогеназадан Fe-қамтитын нитрогеназалар белсендірек. Белсенді нитрогеназаның түзілуінде Mo-Fe-нитрогеназаның Р-кластері, нитрогеназаның Mo-Fe-кофакторы және де шаперон GroEL маңызды рөльді ойнайды. Нитрогеназаның белсенділігі аргинин қалдығының түзілуімен реттеледі. Нитрогеназаның синтезі nif-гендерінің бақылауы астында жүреді.

Азот  фиксацясы nifLA оперонымен реттеледі, nifA өнімі nif – гендерінің транскрипциясын реттейді, nifL nifA әсеріне қатысты антаганистік әсеріне ие. nifLA оперонының экспрессиясы позитивті механизм бойынша реттеледі. nifL гендер транскрипциясының активтілігін редокс–бағынышты жолымен модульдеуші флавопротеин болып табылады. Екі белоктан тұратын  (энхансер nifA және nifL сенсор ) екі компонентті реттеу жүйесі өз арасында комплекс түзіп атипті және гендер экспрессиясының реттеу жүйесі басқа организмдерде таралмаған.

Топырақтағы азот айналымы. Азотфиксация табиғаттағы азот айналымында үлкен рөлді ойнайды. Азотфиксация азоттың негізгі көзі болып табылады және Azotobacter туысының өкілдері молекулярлы азотты фиксациялауымен топырақтағы азот айналымында маңызды орынды алады. Сонымен қатар туыстың өкілдері кейбір биологиялық активті заттарды синтездейді, соның ішінде кейбір фитогармондарды, мысалы ауксиндер өсімдіктердің өсуін және дамуын стимульдейді. Туыс өкілдерінің экзополисахаридтері топырақтағы ауыр металдарды мобилизациялауға, ауыр металдармен мысалы, кадмимен, сынаппен, қорғасынмен ластанған топырақтың өздігінен тазалануына қабілеттендіреді. Azotobacter туысының өкілдері хлоры бар ароматикалық байланыстарды, мысалы, ксенобиотик және полютант болып табылатын канцерогенді және мутагенді әсерге ие гербицидтің 2,4,6-трихлорфенолын биодеградациялауға қабілетті.

Қолдануы. Молекулалық азотты фиксациялауына байланысты ,сонымен бірге топырақтың құнарлылығын арттырады және өсімдіктердің өсуін стимулдейтін Azotobacter туысының өкілдері ауыл шаруашылығында азотты биологиялық тыңайтқыштар алуда, соның ішінде азотобактеринді алуда қолданылады. Сонымен қатар туыстың өкілдері полисахаридтердің өндірушілері – альгин қышқылын (Е400) медицинада (антацид ретінде), тағам өндірісінде (балмұздаққа крем және тағамдық қоспа ретінде), металдарды биосорбциялауда қолданады.  Azotobakter beijerinckii симметриялық емес гептануклеотидті қатарды CCTCAGC білдіретін Abe I рестриктазаның продуценті болып табылады.

Атмосфера азотының азотобактермен фиксациялануы  және сіңіру деңгейі.

Азоттың негізгі массасы жерде газ  түрінде және атмосферада ¾ бөлігін  құрайды. Біздің планетамыздағы азоттың  сарқылмас қоры 3,8*10^15т. Азот – инертті элемент сондықтан байланысқан күйде сирек кездеседі. Тірі клеткалардың структуралық белогына қажет полимерлердің, белоктық ферменттердің, нуклен және аденозинтрифосфор қышқылдарының  негізгі компоненті, яғни негізгі бірден–бір биофильді элементі. Басқа ешқандай элемент азот сияқты агроэкожүйедегі қоректік заттардың ресурстарын шектемейді. Ол тірі организмдерге байланысқан түрінде яғни, азотфиксация нәтижесінде қолжетерлік болады.

Азотобактер дамуында ылғалдың қажеттілігі. Бактериялар өсуі үшін минералды қоректенудегі элементтерді қажет етеді, әсіресе фосфор және кальциді. Энергиялы азотфиксацияға микроорганизмдер микроэлементтерді қажет етеді, оның ішінде маңыздысы азот сіңіру процесін катализдеуші ферменттер құрамына кіретін молибден. Азотобактер ылғал жеткілікті ортада мекендейді. Ылғал жетіспеген жағдайда клеткалардың көпшілігі өлімге ұшырайды. Қара, қоңыр топырақтардан көктемде азотобактерлердің жеткілікті массасын алуға болады. Жаздың ыстығында жекелеген клеткалары ғана қалады.

Топырақтағы азотобактермен фиксация процесінің белсенділігіне өсімдіктердің тамырлы бөлінуінің  әсері.

Azotobacter chroococcum микроорганизмі өсімдіктердің азоттық қоректенуін жақсартады. Академик С.П.Костычев және оның серіктестері ұсынысымен біздің елімізде Azotobacter chroococcum дақылын қамтитын немесе азотобактерин, жерді тыңайтқыш препараттар қолдануды бастады. Барлық Азотобактер туысының қасиеті оның  алфатикалық тетраен қышқылын көрсететін метил эфирі, гидроксиьді және В-метил топтарын қамтитын фунгистатикалық заттарды өндіруінде [4].

1.2  Топырақтың фитопатогенді саңырауқұлақтары

Жалпы саңырауқұлақтарды  ауру тудыруына байланысты мына түрлерге ажыратады: зоопатогенді – жануарлардың паразиттері; энтомопатогенді – насекомдардың паразиттері; сонымен қатар саңырауқұлақтарда–микофилді; фитопатогенді – өсімдіктердің ауруын тудырушылар [5].

Фитопатогенді саңырауқұлақтардың мынадай түрлері  бар: Fusarium solani, Alternaria, Thiclaviopsis basicola, Pythium sp, Rhisoctonia solani, Bipolaris, Phythopthora және т.б.

Кең тараған  түрі фитопатогенді саңырауқұлақтар. Олар өсімдік ұлпаларына ферменттермен  немесе улы қосылыстар бөліп әсер етеді де содан кейін оларды өздеріне қорек ретінде қолданады. Көптеген фитопатогенді саңырауқұлақтар  тұрмыстық бағалы өсімдіктерді зиян келтіреді. 

Alternaria – ауылшаруашылық дақылдарында , жануарларда ,адамдарда ауруын тудыратын микроскопиялық фитопатогенді саңырауқұлақтар. Жер шарына таралған Alternaria (өлтіргіш деген мағына береді)  осы уақытқа дейін зерттелмеген көптеген ауруларды тудырады. Туыстың кейбір өкілдері адамдарда және жануарларда аллергия және микотоксикозды шақырады [6]. 

1.3 Азотобактер және басқада бактериялардың фитопатогенді саңырауқұлақтармен қарым қатынасы

Микробты  антогонизм негізіне тек қана антибиотик түзу емес, ортаның физико-химиялық қасиеттер өзгерту, протолитикалық ферменттерді бөлу жатады [7]. Азотобактер анисолицин тобының фунгистатикалық антибиотигін синтездейді. Топырақта және дәндерде кездесетін бірқатар саңырауқұлақ организмдер (туыс түрлері Fusarium, Alternaria, Penisilium) суық ауа-райында өсімдіктің дамуын тежеу мүмкін. Азотобактер саңырауқұларқа қарсы антибиотикті  заттарды өндіре отырып, өсімдіктерге өсуге және дамуға ықпал етеді. Бірақ барлық азотобактер культураларының барлығы бірдей антогонистік әсерге ие емес [8].

Аленшина  [9] алған Внинбакпрепаратта селекционды жұмыстар нәтижесінде  фитапатогенезді саңырақұлақтарға қарсы тұру қасиеті бар. Азотобактер штампы алынды. Уфа қаласындағы биология институттарында логинов қызметкерлерімен бірге тамыр шіруін қоздырушыларға қарсы антогонистік белсенділікке ие Az. Vinelandi ИБ4 штампын патенттеді [10].

В.В.Кандыба  және А.Г.Назаров астық тұқымдастардың өнімділігін жоғарылататын және олардың ауруға қарсы тұруын күшейтетін, пестицидтермен бірге қолдануға  болатын Azotobacter chroococcum ВКПМ 9029 биопрепаратын жасады [11].

Azotobacter chroococcumның ерекшелігі миланин деп аталатын клетка ішілік қоңыр пигментті-қалыптастыруы, ол клеткамен тығыз байланысқан және ортаға диффункцияламайды. Азотобактериннің құрамында миланині бар шатмдары топырақта басым болады тек өте сирек пигментсіздері кездеседі. Пигментті штамдар көбіне антогонистік қасиетке ие және антибиотикті заттарды белсенді түрде бөледі. Azotobacter chroococcum   пигменттң штамдарының ішінен зең саңырауқұлақтарына антогонистік әсері бар түрлері алынған [12]. Зең саңырауқұлақтарының даумына және ферментативті активтілігіне тек даму үстіндегі культура ғана ықпал ете алады. Пигменттік түзілуі үшін керекті рн және температура оптималды мәні, өсуге де оптимум болды (рн 6,8-7,5 және 28⁰С).Топырақтың тұздануы қатты (5% жоғары) Azotobacter chroococcum-ның пигментациясы сирек болды. Алайда азотобактердің голофильді формалары да белгілі. Azotobacter galophilium Suschkina.Azotobacter chroococum-ның ерекшелігі: жоғары осматикалық қысым. Тұзға шыдамдылық және субстратқа қара-қоңыр пигмент бөледі [13].

Практика  жүзінде барлық топырақтарда, азоттың  жетіспеушілігі байқалады. Көп мөлшерде өнім алу үшін минералды тыңайтқыш  немесе микроорганизмдермен тұтылған биологиялық азотты ендіруді талап  етеді. Азоттың көп емес дозасы (25-30 кг 1 га шегінде) азот жинақталуына ықпал етеді. Жас бұршақ тұқымдас өсімдіктерді азотпен қоректендіру, олардың өсуін және түйнектердің қалыптасуын қарқындатады. Жоғары мөлшерде азотпен қоректендірсе, түйнектердің қалыптасуын соңында азот сіңіруді басып тастайды. Экспериментальды мәліметтердің талдаулары көрсеткендей [14,15] молекулалары азоттың еркін тіршілік ететін бактериялармен байланысуы тек сәуірмен қыркүйек аралығында еш көрініс бермейді, жылдың соңында процесс өте баяу жүреді [16,17].

Топыраққа минералды азот ендіргенде азот тұтушы микроорганизмдерге қоректік ортадағы таза дақылдарға енгізгенмен салыстырғанда  қажыту әсері ошна көп емес. Бұл  топырақ оратсының қорғаныш әсерінен болады, ол өсімдік тамыр жүйесінің  қозғалыстағы азоттты тез қолдануы және оның микробиологиялық трансформациясы  әсерінен қажу әсері қатты болмайды. Өкінішке орай азотбактердің топырақта  белсенді даумы және көптеген қасиеттерін  көрсетуі топырақта органикалық  заттардың шектеулі болуынан және микроорганизмнің қоршаған орта жағдайларына талаптарының күштілігімен шектеледі. Сондықтан азотобактердің стилиздеуші әсері тек құнарлы жерлерде көрініс береді.

Азотобактердің  топырақта таралуының өз заңдылықтары бар. Жазық күлді және күлді топырақтарда қышқыл реакцияларымен сипатталады  азотобактердің дамуы үшін қолайлы  емес. Тек мұндай топырақ өңделгеннен  кейін оның дамуы мүмкін. Ылғалдылығы  жоғары және шөбі шүйгін топырақтарда азотобактер бүкіл вегетативті  даму барысында және көп мөлшерде кездеседі. Шымтезектерде азотобактер  мүлдем болмайды немесе өте баяу дамиды. Ылғалдылығы жеткілікті, қарашіріктерті солтүстік өте азотбактер жақсы  дамиды, ал оңтүстік және қалыпты қарашірікті  топырақтарда көктемгі эфилер ретінде  кездеседі.

Ованованың  зерттеу нәтижелері бойынша Якутияның  егістік жерлерінде азотсыз Эшби оратсында өсу пайызы 2-ден 47,2% аралығында өзгертіп отырады. Егістік шалғынды топырақтарда 18,6% азот сіңірушілер тек 0-20 см тереңдікте ғана кездесті. Құрғақ жерлерде азот тұтушылардың болмауы, олардың ылғал сүйгіштігінің дәлелі. Осылайша зертетулер нәтижесі көрсеткендей азот тұтушы бактериялар тек ылғал және органикалық заттармен бай топырақтарда кездеседі [18]. Қарақойшиеваның зерттеулері [19] көрсеткендей Қазақстан топырағында азотбактердің таралуы тың гумусы аз және гумусы орташа қарашірікті солтүстік аудандарда, ол тек көктемгі эфирлер ретінде топырақтың гидротумиялық режимі қолайлы уақытқа кездеседі. Азотобактердің таралуының тағы бір заңдылығы Іле-Алатауының байқалды. Азотфиксатор таулы орманды топырақтарда жазғы айлары (шілде, тамыз) қарқынды дамиды, таулы қарашіріктерде, тау етегіндегі жапырақтарда вегетативті период кезінде кездеседі.

Жалпылай  алғанда келтірілген мәліметтер Azotobacter азотты тыңайтқыштардың аналогы ретінде ықпал ете алмайтындығын көрсетті. Оның өсімдікке жағымды әсері биологиялық белсенді заттарды және фунгистатикалық қосылыстарды өндірумен байланысты. Азотбактермен бай топырақтарды  өсіруше препарат ретінде қолданыла алады [20].

Өсімдіктердің өсуі мен дамуын қамтамасыз ететін Pseudomonas туысының ризосфералы бактериялары.

Ауыл  шаруашылығы практикасындағы келешегі бар саладағы зерттеулерде қолжетімді табыстар – ризобактериялар тобымен алынған. Осы бактериялардың өсімдіктер және фитопатогендермен өзара әрекеті және оларды ауыл шаруашылығы саласында пайдаланудың келешегі қарастырылған.

Өсімдіктердің, топырақ фитопатогендері тудыратын  ауруларға төзімділігі, көп жағдайда, өсімдіктердің тамыр жүйесі мен  әртүрлі микроорганизмдер арасындағы өзара әрекеті нәтижелеріне байланысты болады. Тамыр жүйесі топырақпен бірге  күрделі экожүйені құрайды, онда өсімдіктер үшін пайдалы, зиянды және бейтарап микроорганизмдер болады. Тамыр  клеткаларына әртүрлі заттардың  белсенді түрде келуі микроорганизмдерді қоректік субстраттармен қамтамасыз етеді. Олар микроорганизмдермен тамыр  ұлпаларының ішінде және тамырдың бетінде (ризоплан) тікелей ризосферада берік  бірлестік  құрайды. Осыған байланысты,ризосфера  мен ризопланда көп мөлшерде бактериялар, актиномицеттер, саңырауқұлақтар және нематодтар жиналады, олардың мөлшері  қарапайым топырақтағыдан едәуір көп  болады. Өсімдіктерде микроорганизмдердің  жинақталуының бір сипаттамасы  – оның сандық қатынасы R/S (rhizosphera/soil)болып табылады [21]. Оны ризосферада тіршілік ететін әртүрлі түр, туыс, тұқымдастар үшін есептеп шығарады. R/S өлшемі өсімдік ризосферасындағы таксономиялық микроорганизмдердің топырақтағы мөлшерінен қанша есе көп екендігін көрсетеді. Көптеген бактериялар үшін R/S өлшемі 2-ден 25-ке дейін болады. Тамырлары жоқ топыраққа қарағанда ризосферада грамы кем бактериялар басым болады, әсіресе Pseudomonas туысының,  флуорецессивті бактериялары көп болады. Pseudomonas putida, P.fluorescens, P.aureofaciens, P.corrugata және т.б бактерияларының штамдары өсімдіктердің өсуі мен дамуын едәуір жақсартады. Қазіргі кезде өсімдіктер үшін пайдалы қасиеттері жинақталған бактерияларды PGPR (Plant Growth – Promoting Rhizobacteria – өсімдіктердің өсуін қамтамасыз ететін ризобактериялар). Әр түрлі таксономикалық топтардың PGPR арасында, өсімдіктер үшін пайдалы – ризосфералық PGPR Pseudomonas ерекшеленеді. Ол агробиотехнологияның фитопатогендерден өсімдіктерді биологиялық жолмен қорғау,өсімдіктердің өсуі мен өнімділігін арттыратын биопрепараттар жасаудағы маңызды штамы болып табылады [22].