doi: 10.15389/agrobiology.2022.5.821rus
УДК 631.52:581.557:579.64:575
Подготовлено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 19-16-00081П).
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ И СИМБИОГЕНЕТИКА: СИНТЕЗ КЛАССИЧЕСКИХ ИДЕЙ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ВЫСОКОПРОДУКТИВНЫХ АГРОЦЕНОЗОВ (обзор)
Н.А. ПРОВОРОВ1 ✉, И.А. ТИХОНОВИЧ1, 2
Сельскохозяйственная микробиология (СХМ) — это дисциплина, изучающая прокариотические и эукариотические микроорганизмы, которые определяют функционирование основных компонентов агроценоза (растений, животных и почвы). Развитие СХМ основано на идеях и методах микробиологии, физиологии растений, почвоведения и генетики, направленных на изучение организации и эволюции биосистем, где микроорганизмы выполняют агрономически важные функции в тесном взаимодействии друг с другом и с высшими организмами. Переходя из окружающей среды в эндосимбиотические ниши растений или животных, микроорганизмы образуют с ними многокомпонентные комплексы — холобионты (E. Rosenberg с соавт., 2018). Они обладают собственными системами наследственности — симбиогеномами и хологеномами, которые служат предметом изучения симбиогенетики (И.А. Тихонович, Н.А. Проворов, 2012). Микроорганизмы, образующие симбиозы с растениями, выполняют важнейшие для них функции: трофические (фиксация N2, усвоение почвенных источников питания, в первую очередь фосфатов), защитные (биоконтроль фитопатогенов и фитофагов) и регуляторные (синтез фитогормонов, которые оптимизируют развитие растений и повышают устойчивость к неблагоприятным факторам среды). К наиболее изученным и важным для практики симбионтам растений относятся клубеньковые бактерии, или ризобии (Rhizobiales), — N2-фиксирующие микросимбионты бобовых, грибы арбускулярной микоризы (Glomeromycota) — фосфатмобилизующие симбионты (более 80 % видов) растений (A. Berruti с соавт., 2016,; ризосферные и эндофитные бактерии (например, Azospirillum, Bacillus, Pseudomonas), стимулирующие развитие растений и определяющие их устойчивость к антагонистам (патогенам, вредителям) и стрессам (засухе, засолению, загрязнению почв ксенобиотиками или тяжелыми металлами) (M.A. Hassani с соавт., 2018). У животных трофические симбионты определяют усвоение растительной пищи (микробиота кишечника или рубца), синтез незаменимых метаболитов (кишечные и внутриклеточные симбионты) и фиксацию N2 (симбионты некоторых животных-фитофагов) (E. Rinninella с соавт., 2019). Изучение симбионтов растений и животных позволяет создавать микробные препараты, которые улучшают питание хозяев и их устойчивость к стрессам, а также повышают плодородие почв. В растениеводстве широко применяются препараты N2-фиксирующих и ростстимулирующих бактерий, которые позволяют резко снижать дозы экологически опасных азотных и фосфорных удобрений. Препараты микроорганизмов-антагонистов фитопатогенов — Pseudomonas, Bacillus (B.J. Lugtenberg c соавт., 2001; V.K. Chebotar с соавт., 2009), мышевидных грызунов — Salmonella enteritidis, Serratia plymuthica (A. Soenens, J. Imperial, 2019) и насекомых-фитофагов — Bacillus thuringiensis, Beauveria bassiana (A.V. McGuire, T.D. Northfield, 2020) используют для биоконтроля. Они также позволяют значительно снизить пестицидную нагрузку на агроценозы. СХМ вносит существенный вклад в изучение фундаментальных биологических процессов — генетических и молекулярных взаимодействий про- и эукариот, эволюции клетки и ее генома, а также формирования надорганизменных систем наследственности (I.A. Tikhonovich, N.A. Provorov, 2009). Разработаны методы симбиотической инженерии, направленной на конструирование высокопродуктивных биосистем сельскохозяйственного, природоохранного и медицинского назначения.
Ключевые слова: сельскохозяйственная микробиология, симбиогенетика, симбиотическая азотфиксация, генетическая инженерия, биоконтроль патогенов и вредителей, микробиологические препараты, экологически устойчивое земледелие.
N.A. Provorov1 ✉, I.A. Tikhonovich1, 2
Agricultural microbiology (AM) is presented as a discipline addressing the prokaryotic and eukaryotic microorganisms that influence operation of the major components of agrocenosis — plants, animals and soils. Development of AM is based on the synthesis of ideas and methods of microbiology, plant physiology, soil science and genetics. This synthesis is aimed to study the organization and evolution of biosystems in which symbiotic microorganisms perform adaptively important functions in cooperation with each other and with host organisms. Upon migration from environment into the endosymbiotic niches of plants and animals, microorganisms form with them multicomponent complexes — holobionts (E. Rosenberg, I. Zilber-Rosenberg, 2018). They possess own systems of heredity, symbiogenomes and hologenomes, which have become the subjects of a new discipline, symbiogenetics (I.A. Tikhonovich, N.A. Provorov, 2012). Microorganisms forming symbioses with plants perform the important adaptive functions — nutritional (N2 fixation, absorption of soil nutrients, firstly phosphates), defensive (biocontrol of pathogens and phytophagans) and regulatory (synthesis of phytohormones that optimize plant development and improve their resistance to adverse environment) (I.A. Tikhonovich, N.A. Provorov, 2009). The broadly studied and practically important plant symbionts include: a) nodule bacteria or rhizobia (Rhizobiales) — N2-fixing symbionts of legumes; b) arbuscular mycorrhizal fungi (Glomeromycota) — phosphate-mobilizing symbionts of a wide range (more than 80 % species) of plants (A. Berruti et al., 2016); c) rhizospheric and endophytic bacteria (e.g., Azospirillum, Bacillus, Pseudomonas) which stimulate the development of plants and determine their resistance to antagonists (pathogens, pests) and stresses (drought, salinity of soils, their contamination with xenobiotics or heavy metals) (M.A. Hassani et al., 2018). In animals, trophic symbionts determine the assimilation of plant biomass (intestinal or rumen microbiota), synthesis of essential amino acids and cofactors (intestinal and intracellular symbionts), and N2 fixation (symbionts of some herbivorous animals) (E. Rinninella et al., 2019). The study of microbial effects on plants and animals makes it possible to create microbial preparations that improve the nutrition of hosts, their resistance to biotic and abiotic stresses, and increase the soil fertility. In crop production, preparations of N2-fixing and growth-stimulating bacteria are widely used, which ensure a drastic reduction in application of environmentally hazardous nitrogen and phosphorus fertilizers. Preparations of microorganisms that are antagonists of phytopathogens — Pseudomonas, Bacillus(B.J. Lugtenberg et al., 2001; V.K. Chebotar et al., 2009), rodents — Salmonella enteritidis, Serratia plymuthica (A. Soenens, J. Imperial, 2019) or phytophagous insects — Bacillus thuringiensis, Beauveria bassiana (A.V. McGuire, T.D. Northfield, 2020) are used broadly for their biocontrol to significantly reduce the pesticide load on agrocenoses. By studying the integrative functions of agronomically valuable microorganisms, AM invests a significant contribution to the fundamental biological research, including the genetic and molecular interactions of prokaryotes and eukaryotes, evolution of cell and of its genome, and formation of supraorganismal genetic systems (I.A. Tikhonovich, N.A. Provorov, 2012). Based on these studies, methods of symbiotic engineering are being developed aimed at constructing the highly productive biosystems, including the cereal and vegetable cultivars capable of symbiosis with rhizobia, as well as N2-fixing plants.
Keywords: agricultural microbiology (AM), symbiogenetics, genetic engineering, symbiotic nitrogen fixation, biocontrol of pathogens and pests, microbial preparations, sustainable agriculture.
1ФГБНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной |
Поступила в редакцию |
