Главная страница

Обеспечение живых организмов связанным азотом

  Атмосферный азот не может быть непосредственно использован живыми организмами

    Для построения содержащих азот жизненно важных молекул аминокислот и нуклеотидов – мономеров белков и нуклеиновых кислот – все живые организмы должны иметь постоянный источник атомов азота. Однако, несмотря на то, что атмосфера на 71 % состоит из азота, обеспечение регулярного снабжения азотом связано с решением существенных проблем.

    Молекула атмоферного азота N₂ состоит из двух атомов, соединённых между собой сильной тройной связью: N≡N. Для разрыва этой связи нужно затратить большое количество энергии, что и обусловливает низкую химическую активность азота.

    В неживой природе расщепление молекулы N₂ с образованием окислов азота происходит при грозовых разрядах, извержениях вулканов, лесных пожарах и других экстраординарных событиях, при которых воздух нагревается до высокой температуры, достаточной для нужного снижения активационного барьера. Хотя образующиеся таким образом окислы азота и могут усваиваться живыми организмами, однако, поскольку время и место их появления носит случайный характер, эти окислы могут служить только подспорьем, а не регулярной основой для жизни.

    Постоянное снабжение всех живых организмов атомами азота обеспечивают организмы-азотофиксаторы, которые вырабатывают специальный фермент нитрогеназу.

/* Нитрогеназа позволяет настолько снизить активационный барьер, что разрыв тройной связи в молекуле N₂ происходит при температуре окружающей среды.*/

/* Живущие на большой глубине под поверхностью грунта бактерии могут использовать в качестве источника связанного азота нитраты, продуцируемые нитрифицирующими бактериями в верхних слоях почвы и попадающие в глубокие слои с подземными водами*/

  Нитрогеназа – аппаратура для азотофиксации

    Нитрогеназа представляет собой комплекс двух последовательно работающих белковых молекул, одна из которых (МоFe-белок) имеет в качестве кофактора ионы молибдена и железа, а другая (Fe-белок) – ион железа. Этот комплекс абсолютно одинаков для всех организмов, фиксирующих азот.   

    Фиксация азота протекает в три этапа. На каждом этапе последовательно разрывается одна из трёх ковалентных связей между атомами азота и к каждому из них присоединяется атом водорода. В итоге всей совокупности реакций на восстановление одной молекулы азота N₂ затрачивается три молекулы водорода H₂ и энергия 16 молекул АТФ, а в результате получаются две молекулы аммиака NH₃.

    Ввиду того, что нитрогеназа ингибируется даже ничтожными количествами кислорода, аэробные азотофиксирующие организмы должны принимать строгие меры для изоляции нитрогеназы от кислорода. Поскольку такие меры в прокариотных клетках легче осуществить, чем в значительно более сложно устроенных эукариотных, все азотофиксаторы являются прокариотами.                          

    Ввиду большой энергоёмкости азотофиксации, осуществлять её могут либо фотоэнергетики-прокариоты (в частности, фотосинтезирующие клетки-гетероцисты нитчатых форм цианобактерий и пурпурные серобактерии), либо азотофиксирующие  бактерии, находящиеся в тесном контакте с растениями, поставляющими им энергию в виде молекул АТФ.

  Преобразование аммиака в формы, удобные для передачи

   Обладающий высокой химической активностью аммиак не может быть непосредственно передан другим живым организмам или другим клеткам. Поэтому азотофиксаторы имеют ещё ряд ферментов, осуществляющих превращения, в результате которых атомы азота встраиваются в составе аминогруппы в более удобные для передачи т.н. первичные аминокислоты – глутамин или аспарагин.

  Для обеспечения связанным азотом фотохемоэнергетиков, по-видимому, необходимо наличие азотофиксаторов, встроенных в ткань листа или листовища.

    Азот входит в состав всех аминокислот и нуклеотидов и его массовое содержание в листьях составляет 1-5 % от сухой массы. 

    Интенсивный фотосинтез, протекающий в хлоропластах растений, требует столь же интенсивного поступления в хлоропласты связанного азота. Между тем:

• содержание связанного азота в почве или окружающей воде во многих случаях явно недостаточно для обеспечения растения;
• никакие  растения не обладают транспортной системой, позволяющей подавать в хлоропласты связанный азот извне в адекватных количествах.

    Исследования последних лет обнаружили присутствие обладающих азотофиксирующими клетками-гетероцистами нитчатых форм цианобактерий, встроенных в ткань листа или листовища некоторых видов мхов, печёночников и папоротников. Как следует из приведенных выше соображений, наличие встроенных цианобактерий является для растений, скорее всего, не исключением, а правилом.

 

Файл требует доработки

 

 И.С. Житомирский

Дата последнего обновления:  24.03.08

Главная страница

 

 

Материалы для дальнейшей работы

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

Hormogonium

From Wikipedia, the free encyclopedia

    Hormogonia are motile filaments of cells formed by some cyanobacteria in the family Nostoceae.

    Cyanobacteria differentiate into hormogonia when exposed to an environmental stress or when placed in new media.

    Hormogonium differentiation is crucial for the development of nitrogen-fixing plant cyanobacteria symbioses, in particular that between cyanobacteria of the genus Nostoc and their hosts. In response to a hormogonium-inducing factor (HIF) secreted by plant hosts, cyanobacterial symbionts differentiate into hormogonia and then dedifferentiate back into vegetative cells after about 96 hours. Hopefully, they have managed to reach the plant host by this time. The bacteria then differentiate specialized nitrogen-fixing cells called heterocysts and enter into a working symbiosis with the plant.

    Depending on species, Hormogonia can be many hundreds of micrometers in length and can travel as fast as as 11μ/s. They move via gliding motility, requiring a wet-able surface or a viscous substrate, such as agar for motion.

Heterocyst

From Wikipedia, the free encyclopedia

    Heterocysts are specialized nitrogen-fixing cells formed by some filamentous cyanobacteria, such as Nostoc punctiforme, Cylindrospermum stagnale and Anabaena sperica, during nitrogen starvation. They fix nitrogen from dinitrogen (N₂) in the air using the enzyme nitrogenase, in order to provide the cells in the filament with nitrogen for biosynthesis. Nitrogenase is inactivated by oxygen, so the heterocyst must create a microanaerobic environment. The heterocysts' unique structure and physiology requires a global change in gene expression. For example, heterocysts:

• produce three additional cell walls, including one of glycolipid that forms a hydrophobic barrier to oxygen
• produce nitrogenase and other proteins involved in nitrogen fixation
• degrade photosystem II, which produces oxygen
• up-regulate glycolytic enzymes, which use up oxygen and provide energy for nitrogenase
• produce proteins that scavenge any remaining oxygen

Anabaena sperica - Heterocysts form enlarged cells

    Cyanobacteria usually obtain a fixed carbon (carbohydrate) by photosynthesis. The lack of photosystem II prevents heterocysts from photosynthesising, so the vegetative cells provide them with carbohydrates, which is thought to be sucrose. The fixed carbon and nitrogen sources are exchanged though channels between the cells in the filament. Heterocysts maintain photosystem I, allowing them to generate ATP by cyclic photophosphorylation.

    Single heterocysts develop about every 9-15 cells, producing a one-dimensional pattern along the filament. The interval between heterocysts remains approximately constant even though the cells in the filament are dividing. The bacterial filament can be seen as a multicellular organism with two distinct yet interdependent cell types. Such behaviour is highly unusual in prokaryotes and may have been the first example of multicellular patterning in evolution. Once a heterocyst has formed, it cannot revert to a vegetative cell, so this differentiation can be seen as a form of apoptosis. Certain heterocyst-forming bacteria can differentiate into spore-like cells called akinetes or motile cells called hormogonia, making them the most phenotyptically versatile of all prokaryotes.

    The mechanism of controlling heterocysts is thought to involve the diffusion of an inhibitor of differentiation called patS. Heterocyst formation is inhibited in the presence of a fixed nitrogen source, such as ammonium or nitrate. Heterocyst maintenance is dependent on an enzyme called hetN. The bacteria may also enter a symbiotic relationship with certain plants. In such a relationship, the bacteria do not respond to the availability of nitrogen, but to signals produced by the plant. Up to 60% of the cells can become heterocysts, providing fixed nitrogen to the plant in return for fixed carbon.

    The cyanobacteria that form heterocysts are divided into the orders Nostocales and Stigonematales, which form simple and branching filaments respectively. Together they form a monophyletic group, with very low genetic variability.

Retrieved from "http://en.wikipedia.org/wiki/Heterocyst"

Categories: Nitrogen metabolism | Cyanobacteria

 

 

Symbiotic Nitrogen Fixation

http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/N/NitrogenFixation.html

    Symbiotic nitrogen fixation occurs in plants that harbor nitrogen-fixing bacteria within their tissues. The best-studied example is the association between legumes and bacteria in the genus Rhizobium.

    Each of these is able to survive independently (soil nitrates must then be available to the legume), but life together is clearly beneficial to both. Only together can nitrogen fixation take place.

    A symbiotic relationship in which both partners benefits is called mutualism.

Link to discussion of the role of nitrogen fixation in the nitrogen cycle.

Rhizobia

    Rhizobia are Gram-negative bacilli that live freely in the soil (especially where legumes have been grown). However, they cannot fix atmospheric nitrogen until they have invaded the roots of the appropriate legume.

The Infection Thread

    The interaction between a particular strain of rhizobia and the "appropriate" legume is mediated by:

• a "Nod factor" secrete by the rhizobia and
• transmembrane receptors on the cells of the root hairs of the legume.

• Different strains of rhizobia produce different Nod factors, and
• different legumes produce receptors of different specificity.

    If the combination is correct, the bacteria enter an epithelial cell of the root; then migrate into the cortex. [Link to root structure.] Their path runs within an intracellular channel that grows through one cortex cell after another. This infection thread is constructed by the root cells, not the bacteria, and is formed only in response to the infection.

    When the infection thread reaches a cell deep in the cortex, it bursts and the bacteria are engulfed by endocytosis into endosomes. At this time the cell goes through several rounds of mitosis — without cytokinesis — so the cell becomes polyploid.

    The electron micrograph on the right (courtesy of Dr. D. C. Jordan) shows a rhizobia-filled infection thread growing into the cell (from the upper left to the lower right). Note how the wall of the infection thread is continuous with the wall of the cell. Once the thread ruptures, rhizobia are engulfed into endosomes within the cytoplasm (dark ovals).

    The cortex cells then begin to divide rapidly forming a nodule. This response is driven by the translocation of cytokinins from epidermal cells to the cells of the cortex.

………………

    The rhizobia also go through a period of rapid multiplication within the nodule cells. Then they begin to change shape and lose their motility. The bacteroids, as they are now called, may almost fill the cell. Only now does nitrogen fixation begin.

    The electron micrograph on the right (courtesy of R. R. Hebert) shows bacteroid-filled cells from a soybean nodule. The horizontal line marks the walls between two adjacent nodule cells.

    Root nodules are not simply structureless masses of cells. Each becomes connected by the xylem and phloem to the vascular system of the plant. The photo below on the left shows a developing lateral root on a pea root. On its right is a segment of a pea root showing a developing nodule 12 days after the root was infected with rhizobia. Both structures are connected to the nutrient transport system of the plant (dark area extending through the center of the root). (Photomicrographs courtesy of the late John G. Torrey.)

    Thus the development of nodules, while dependent of rhizobia, is a well-coordinated developmental process of the plant.

    Although some soil bacteria (e.g., Azotobacter) can fix nitrogen by themselves, rhizobia cannot. Clearly rhizobia and legumes are mutually dependent. What does each contribute to the process?

    Isolated bacteroids contain all the metabolic machinery — including the enzyme nitrogenase — needed to fix nitrogen. Then why is the legume necessary? The legume is certainly helpful in that it supplies nutrients to the bacteroids with which they synthesize the large amounts of ATP needed to convert nitrogen (N₂) into ammonia (NH₃)

    The bacteroids need oxygen to make their ATP (by cellular respiration). However, nitrogenase is strongly inhibited by oxygen. Thus the bacteroids must walk a fine line between too much and too little oxygen. Their job is made easier by a second contribution from their host: hemoglobin.

    Nodules are filled with hemoglobin. So much of it, in fact, that a freshly-cut nodule is red. The hemoglobin of the legume (called leghemoglobin), like the hemoglobin of vertebrates, probably supplies just the right concentration of oxygen to the bacteroids to satisfy their conflicting requirements.

    Beyond these contributions, the plant must also, in ways as yet unknown, make possible the conversion of rhizobia that cannot fix nitrogen into bacteroids that can.

    Because of the specificity of the interaction between the Nod factor and the receptor on the legume, some strains of rhizobia will infect only peas, some only clover, some only alfalfa, etc. The treating of legume seeds with the proper strain of rhizobia is a routine agricultural practice. (The Nitragin Company, that supplied one of the photos above specializes in producing rhizobial strains appropriate to each leguminous crop.)

    How did two such organisms ever work out such an intimate and complex living relationship? Assuming that the ancestors of the rhizobia could carry out the entire process by themselves — as many other soil bacteria still do — they must have gained some real advantage from evolving to share the duties with the legume. Perhaps the environment provided by their host, e.g., lots of food and just the right amount of oxygen, enabled the rhizobia to do the job more efficiently than before.

How does hornwort benefit
from cyanobacteria?

By Chelsie Vandaveer

February 19, 2004

Hornworts are members of the Anthocerophyta, plants that together with liverworts and mosses are classified as bryophytes. Hornworts are easy to miss; the leafy haploid gametophytes are only a couple of centimeters across, the spiky diploid sporophytes are only a centimeter or two tall. The sporophyte depends upon its parent, the gametophyte, for life. (See Plant of the Week, February 16, 2004)

The gametophyte is attached to the surface of the soil by rhizoids, tiny root-like structures. The rhizoids function mostly to hold the gametophyte to the soil and, unlike roots, have little to do with the uptake of water and nutrients. The hornwort depends upon a symbiont, Nostoc, a nitrogen-fixing cyanobacteria (blue-green algae).

Hornwort (Anthoceros)

According to David G. Adams (2002), the cyanobacteria inhabit a mucilaginous or slime cavity within the gametophyte. But Nostoc does not end up there by chance. When the gametophyte has insufficient combined nitrogen (nitrogen in nitrate form, NO₃) to carry on photosynthesis, the plant 'invites' the Nostoc to enter.

Nostoc has two forms: a long-filament, immobile, nitrogen-fixing heterocyst and a short-filament, mobile, infective hormogonium. When the hornwort needs nitrogen, it releases a chemical called the hormogonium-inducing factor (HIF) into its immediate environment. The stationary heterocysts in the vicinity begin producing hormogonia that glide toward the hornwort. The hormogonia slide under the hornwort and enter through narrow pores into the slime cavity.

But the hormogonia do not fix atmospheric nitrogen for use by the plants. The hornwort needs the heterocysts. Unless induced, the hormogonia continue reproducing as hormogonia prolonging the stage where the cyanobacteria are capable of traveling and colonizing. Once infected, the hornwort produces another chemical, hormogonium-repressing factor (HRF). The HRF is thought only released into the slime cavity; the hormogonia start producing heterocysts.

The symbiotic relationship changes both partners. The cells of the hornwort grow larger and round. The Nostoc heterocysts do not form a thickened cell wall and lose the ability to fix CO₂ to make sugar and starch. The hornwort gets its nitrogen from the Nostoc and the Nostoc gets its carbon from the hornwort.

(Compiled from: "Chapter 15: Bryophytes", Biology of Plants, P. Raven, R. Evert, and S. Eichhorn, 5th Edition, Worth Publishers, 1992; "Introduction to Anthcerophyta, The Hornworts" University of California, Berkeley, Museum of Paleontology, 2004; and "The Liverwort-Cyanobacterial Symbiosis", David G. Adams, Biology and Environment: Proceedings of the Royal Irish Academy, Vol. 102B, No.1, 2002)

 

///////////////////////////////////////////////

Игнатов В.В. // СОЖ, 1998, N^o 9, с. 28–33.
           Полный текст:      

Из книги Биологическая фиксация азота и азотофиксаторы (Игнатов В.В.)

... В основе способности инфицировать корневую систему хозяина лежит сложнейший и не вполне ясный молекулярный механизм, имеющий решающее значение в симбиотической фиксации азота. Обычно рассматривается несколько его стадий.

Первая – приближение микробной клетки к растению за счёт её способности передвигаться в ответ на узнавание химических продуктов, выделяемых из корней растения. Этот процесс называется хемотаксисом.

Вторая стадия – контактное взаимодействие микроорганизма с растением. В этом процессе важное место отводится т.н. лектин-углеводному узнаванию растения микроорганизмом. Лектин корневых волосков растений – углеводоузнающий белок. Он узнаёт углевод поверхности бактерий и прочно связывается с ним. ...

Третья стадия – механохимическая и весьма загадочная по технике исполнения. Бактерии, внедрившиеся в молодой корневой волосок, в виде т.н. инфекционных нитей прорастают вдоль волоска, как бы перетекают в тетраплоидные клетки коры и вызывают их быстрое деление. Они заполняют своим содержимым внутренность растительных клеток. Т.к. заражение бывает множественным, ткани корня в зоне проникновения микроорганизмов растут интенсивнее с образованием клубеньков, клетки которых буквально нафаршированы бактериями. Микробы при этом меняются и сами, они теряют клеточную стенку, изменяют свои размеры, геометрию // становятся «бактероидами» (ИСЖ)//. Кроме того, все они обволакиваются растительным белком – леггемоглобином //, перехватывающим кислород и тем самым защищающим нитрогеназу (ИСЖ)//. ... 

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

                                                Symbiotic Nitrogen Fixation (из книги Life: Science of Biology)

    The legume nodule represents an excellent example of symbiosis, a situation in which two different or­ganisms live in physical contact and, in association, do things that neither organism can do separately. In the form of symbiosis called mutualism, both organ­isms benefit from the relationship. Neither free-living Rhizobium species nor uninfected legumes can fix nitrogen. Only when the two are closely associated in root nodules does the reaction take place.

    The establishment of this symbiosis between Rhiwbiutn and a legume requires a complex series of steps with active contributions by both the bacterium and the root. The first to act are root hairs, projecting from the epidermal cells of very young roots. As indicated at the beginning of Figure 30.14, the root hairs release a substance that attracts the Rhizobium and stimulates the bacteria to multiply; the bacteria, in turn, produce one or more growth substances that cause changes in the root hair so that its cell wall invaginates—folds inward. The invagination pro­ceeds inward through several cells as an infection thread; the bacteria in the thread continue to divide, although slowly. At this stage the bacteria are still outside the plant in a sense, for the thread is lined with cellulose and other cell-wall materials. The thread grows into the cortex tissue of the root until it encounters one or more cells that, by accident, are tetraploid—4n—these are common in older tissues of many plant species. The tetraploid cells begin to divide rapidly, and the infection thread bursts, re­leasing the bacteria into the cytoplasm of these host cells. The bacteria now undergo a remarkable trans­formation, increasing about tenfold in size, devel­oping an outside membranous envelope, and form­ing an elaborately folded internal membrane. At this stage the infecting bacteria are called bacteroids.

    As the final step before the fixation of nitrogen can begin, the plant produces hemoglobin, which sur­rounds the bacteroids. Hemoglobin is an oxygen-carrying pigment that one seldom associates with plants, but some nodules contain enough of it to be bright pink when viewed in cross section. The he­moglobin traps oxygen, keeping the bacteroids and their nitrogenase anaerobic.

////////////////////////////////////////////////////////////////

... ассоциативные взаимоотношения касаются прежде всего т.н. ризосферных микроорганизмов, т.е. тех организмов, которые живут на поверхности корневой системы растений. Микробы как бы колонизируют поверхность корневой системы (рис. 5). При этом просматриваются черты взаимоотношений, напоминающие взаимоотношения с растением симбиотических азотофиксаторов. Имются те же этапы: хемотаксическое узнавание, лектин-углеводное узнавание и этапы установления прочных связей, обусловленные обменом веществ, полезным и растению и микроорганизмам; нет при этом только этапа образования клубеньков. ...

 

    BNF is known to occur to a varying degree in many different environments, including soils; fresh and salt waters and sediments; on or within the roots, stems, and leaves of certain higher plants; and within the digestive tracts of some animals.

Symbiotic Nitrogen Fixation

    The most important contribution to BNF comes from the symbiotic association of certain micro-organisms with the roots of higher plants. A classic example is that of the bacteria (Rhizobium) which characteristically infect the roots of leguminous plants (e.g., bean, soybean, clover, peanut) with a high degree of host specificity. Small nodules are formed on the roots and these become filled with an altered form of the bacteria (bacteroides) which fix appreciable amounts of nitrogen

    Numerous genera of non-leguminous angiosperms, such as Alnus, Casuarina, Coriaria, Myrica, etc., form root nodules in response to infection by the actinomycete Frankia. These associations may achieve fixation rates as high as 100 kg N/ha/yr and may occur as climax vegetation or as pioneer species in adverse soil environments. Some gymnosperms, such as Cycas, Macrozamia, and Podocarpus , are capable of forming similar nitrogen fixing root nodule associations.

    A variety of additional plant-symbiotic nitrogen fixing associations have been reported. Examples include the bacterium Kiebsiella in leaf nodules of Psychotria , and associations of cyanobacteria with fungi (lichens), liverworts (Blasia), angiosperms (Gunnera) and the water fern Azolla.

    Increasing knowledge concerning the genetic information in various microorganisms which confers nitrogen-fixing ability now make the "creation" of new and perhaps more efficient nitrogen fixing organisms and symbiotic associations a possibility.

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

Nature. 2002 Oct 31;419(6910):917-20.

Quantifying nitrogen-fixation in feather moss carpets of boreal forests.
DeLuca TH, Zackrisson O, Nilsson MC, Sellstedt A.
School of Forestry, The University of Montana, Missoula, Montana 59812, USA. thd@forestry.umt.edu
    Biological nitrogen (N) fixation is the primary source of N within natural ecosystems, yet the origin of boreal forest N has remained elusive. The boreal forests of Eurasia and North America lack any significant, widespread symbiotic N-fixing plants. With the exception of scattered stands of alder in early primary successional forests, N-fixation in boreal forests is considered to be extremely limited. Nitrogen-fixation in northern European boreal forests has been estimated at only 0.5 kg N ha(-1) yr(-1); however, organic N is accumulated in these ecosystems at a rate of 3 kg N ha(-1) yr(-1) (ref. 8). Our limited understanding of the origin of boreal N is unacceptable given the extent of the boreal forest region, but predictable given our imperfect knowledge of N-fixation. Herein we report on a N-fixing symbiosis between a cyanobacterium (Nostoc sp.) and the ubiquitous feather moss, Pleurozium schreberi (Bird) Mitt. that alone fixes between 1.5 and 2.0 kg N ha(-1) yr(-1) in mid- to late-successional forests of northern Scandinavia and Finland. Previous efforts have probably underestimated N-fixation potential in boreal forests.

    Actinomycetes include a large group of filamentous, fungus-like soil bacteria. They form long, threadlike, branched filaments that resemble gray spiderwebs throughout compost piles. In fact, the characteristic earthy smell of compost and recently overturned rotten logs in a forest is caused by thriving populations of actinomycetes. Electron microscopy and other studies have shown unequivocally that these organisms are bacteria and not fungi. Some authors refer to actinomycetes as actinobacteria and place them in their own phylum.

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

Non-symbiotic Nitrogen Fixation

    There is great diversity in the metabolic types of free-living microorganisms which are capable of BNF. This includes about 20 genera of non-photosynthetic aerobic (Azotobacter , Beijerinckia) and anaerobic (Clostridium) bacteria and about 15 genera of photosynthetic cyanobacteria (blue-green algae) such as Anabaena and Nostoc.

    Free-living, non-photosynthetic bacteria depend on soil organic matter as a food source whereas the photosynthetic microorganisms may derive their food from the products of photosynthesis.

    The nitrogen fixing activity of free-living, non-photosynthetic, aerobic bacteria is strongly dependent on favorable moisture conditions, oxygen, and an organic food source. Anaerobic representatives (Clostridium) predominate in grassland and waterlogged soils and soil aggregates where moisture conditions and organic substrates are available but oxygen supply to the micro-environment of the bacteria is severely restricted.

    The amounts of nitrogen fixed by free-living non-photosynthetic bacteria in the soil may achieve an approximate maximum of 15 kilograms per hectare per year. This relatively low estimated contribution is the result of limited availability of suitable organic substrates (energy sources) and low bacterial populations in the soil environment. Nitrogen fixation is characteristically higher in environments such as tropical soils, where such factors as substrate availability, temperature and moisture are more favorable to the maintenance and activity of a high bacterial population. Amendment of soil with a readily used organic substrate generally results in some increase in nitrogen fixation. Attempts to increase fixation in unamended soil by addition of high populations of bacteria (soil inoculation) are generally unsuccessful. The increased population of N-fixing bacteria resulting from inoculation is temporary and will rapidly die back to the original number found in an unamended soil, where no provision has been made to create environmental changes which will favor a higher microbial population.

    Very little information is available concerning the possible contribution of the free-living, photosynthetic cyanobacteria to the nitrogen economy of soils but maximum gains of fifty kilograms per hectare per year have been reported. Nitrogen-fixing activity of these organisms is, of course strongly dependent on adequate sunlight in addition to favorable moisture conditions.

    Living plant roots release a wide variety of simple organic compounds which may be used as food by free-living soil bacteria. This continuous supply of food supports a higher microbial population in the soil immediately surrounding the plant root (rhizosphere). Evidence indicates that native nitrogen-fixing bacteria are common in the rhizosphere of certain plants and that they may fix significant amounts of nitrogen in some cases. This effect may be related to the closeness of the root-microorganism association. Food material released from the roots would be available in greater concentration to those microorganisms more closely associated with the root surface ( Azospirillum ). A striking example is seen in certain combinations of bacteria with some tropical grasses which have a high photosynthetic efficiency and grow under environmental conditions favoring high photosynthetic activity. The roots of such plants may supply the nitrogen-fixing microorganisms with a relatively high and sustained supply of food (photosynthate) which is available in limited supply in the rhizosphere of most plants.

    Under appropriate environmental conditions, aerobic cyanobacteria may contribute significantly to nitrogen gains in fresh water environments and anaerobic Clostridium may play a similar important role in fresh water sediments. Most of the nitrogen fixation in marine environments (about 20% of the total amount of annual biological fixation) is attributed to the cyanobacteria but many other kinds of nitrogen-fixing microorganisms have also been found in such environments. The significant contribution of photosynthetic (cyanobacteria) and non-photosynthetic (Clostridium) microorganisms to nitrogen fixation in the rhizosphere of rice is well recognized. In addition, nitrogenase activity has been detected in the soil surrounding the mycorrhizal roots of several conifers and in the rhizospheres of marine (Thalassia) and freshwater (Glyceria) angiosperms.

    The leaf surface (phyllosphere) of certain plants in warm, humid tropical regions may provide an additional favorable environment for the growth and nitrogen fixing activity of such free-living bacteria as Azotobacter, Beijerinckia and Kiebsiella.

    Free-living nitrogen-fixing anaerobic bacteria are present and fix nitrogen in the intestinal contents of a variety of animals (herbivores) and also man. Nitrogenase activity is generally quite low and its significance in terms of satisfying nutritional requirements of the host appears doubtful.

 

 

    Succession at sites that at the beginning support no organisms is known as primary succession. Con­sider, for example, the succession of plants in Glacier Bay, Alaska, following the rapid retreat of the glaciers there during the last 200 years. A retreating glacier leaves a series of moraines—gravel deposits formed where the glacial front was stationary for a number of years. The ages of moraines can be determined approximately by counting growth rings on the old­est trees present on each of them. The pattern of succession of plants and changes in soil nitrogen content at Glacier Bay are shown in Figure 46.24. The glacier retreated about 100 kilometers during this period (see Figure 30.12).

    Each boulder-strewn moraine was first invaded by pioneer plants such as lichens, mosses, and a few species of shallow-rooted herbs. These plants usually are small and simple, and they can grow on the nutrient-poor moraines where they are exposed to the full force of the climate. These small plants were followed by shrubby willows, then by alders, and eventually by conifers. Primary succession is deter­mined in part by changes in the soil caused by the plants themselves. Alder trees have nitrogen-fixing bacteria associated with their roots. Because nitrogen is virtually absent from glacial moraines, it required a century for alders to fix enough nitrogen in the soil to allow good growth of conifers. The conifers then outcompeted and displaced the alders.

 

                                                        46.24    Soil Properties Change during Vegetation Succession

    As the plant community occupying a moraine changed from pioneering plants to a spruce forest, nitrogen accu­mulated in both the forest floor and in the mineral soil. Alder trees fixed nitrogen in the soil, paving the way for the coniferous forest.

 

 

 - produce three additional cell walls, including one of glycolipid that forms a hydrophobic barrier to oxygen

 - produce nitrogenase and other proteins involved in nitrogen fixation

 - degrade photosystem II, which produces oxygen

 - up regulate glycolytic enzymes, which use up oxygen and provide energy for nitrogenase

 - produce proteins that scavenge any remaining oxygen

Single heterocysts develop about every 9-15 cells, producing a one-dimensional pattern along the filament. The interval between heterocysts remains approximately constant even though the cells in the filament are dividing. The bacterial filament can be seen as a multicellular organism with two distinct yet interdependent cell types. Such behaviour is highly unusual in prokaryotes and may have been the first example of multicullar patterning in evolution. Once a heterocyst has formed, it cannot revert to a vegetative cell, so this differentiation can be seen as a form of apoptosis. Certain heterocyst-forming bacteria can differentiate into spore-like cells called akinetes or motile cells called hormogonia, making them the most phenotyptically versatile of all prokaryotes.

The mechanism of controlling heterocysts is thought to involve the diffusion of an inhibitor of differentiation called PatS. Heterocyst formation is inhibited in the presence of a fixed nitrogen source, such as ammonium or nitrate. The bacteria may also enter a symbiotic relationship with certain plants. In such a relationship, the bacteria do not respond to the availability of nitrogen, but to signals produced by the plant. Up to 60% of the cells can become heterocysts, providing fixed nitrogen to the plant in return for fixed carbon.

The cyanobacteria that form heterocysts are divided into the orders Nostocales and Stigonematales, which form simple and branching filaments respectively. Together they form a monophyletic group, with very low genetic variability.

 

Единственный организм, способного одновременно проводить и фиксацию азота и фотосинтез, это цианобактерия Anabaena. Каким образом это осуществляется? Фотосинтез происходит в большинстве клеток (зеленые клетки на рисунке) на свету, и цианобактерия может использовать источники азота, растворенные в окружающей среде. Однако если азота не хватает, она переходит к фиксации азота. Для этого отдельные клетки, которые раньше занимались фотосинтезом, дифференцируются. Они называются гетероцисты. Это более крупные клетки, покрытые плотной оболочкой. Фотосинтез в них прекращается, и ферменты фотосинтеза из них исчезают. Зато начинается синтез нитрогеназы. Толстая оболочка не пропускает внутрь кислород, и в гетероцистах происходит фиксация азота, в то время, как все остальные клетки занимаются фотосинтезом. Все, что нужно гетероцисте для работы (в том числе и азот), она получает от соседних клеток через специальные межклеточные контакты, а сама гетероциста отдает соседним клеткам аминокислоту глутамин (посмотрите строение аминокислот в лекции 4), которая синтезируется после фиксации азота.

    Среди нитчатых цианобактерий прослеживаются в разной степени выраженные непосредственные контакты между соседними клетками, образующими трихом. У представителей рода Pseudoanabaena клетки в нити разделены глубокими перетяжками, а у Oscillatoria деление, происходящее путем формирования поперечной перегородки, приводит к сохранению плотных контактов между клетками на больших участках клеточной поверхности (рис. 24, А). Часто клетки в трихоме окружены общим чехлом, который может рассматриваться в качестве дополнительного фактора, удерживающего их в определенном порядке. У нитчатых цианобактерий, принадлежащих к описанному типу, с помощью электронной микроскопии между соседними вегетативными клетками обнаружены структуры, названные микроплазмодесмами, обеспечивающие непрерывность мембранных структур и цитоплазматического содержимого в клетках трихома.

    Микроплазмодесмы представляют собой каналы, окруженные мембраной, наружный диаметр которых меньше 20 нм, прорезающие поперечную перегородку между соседними клетками (рис. 24, 5). Количество их достигает 30—40. С помощью микроплазмодесм осуществляются прямые контакты между ЦПМ соседних клеток. Таким образом, имеющиеся данные указывают на существование путей, обеспечивающих возможность обмена информацией между клетками в трихоме. Обмениваемыми могут быть вещества, растворенные в цитоплазме. Это было показано при введении внутрь клетки красителей, постепенно диффундировавших в соседние клетки нити. Была установлена также передача по мембранам вдоль трихома энергии в форме электрической составляющей трансмембранного потенциала. Транспорт энергии происходит от места ее образования в освещенной части трихома к неосвещенному его концу.

    Необходимость в таком обмене очевидна, если клетки, формирующие нить, находятся в разных условиях или физиологических состояниях, как это имеет место при экспериментально показанной передаче энергии. В то же время у цианобактерий родов Pseudoanabaena или Oscillatoria не обнаружено какой-либо четкой морфологической или функциональной дифференцировки. Только для концевых клеток нити можно иногда отметить несколько отличную форму, что объясняется, вероятно, нахождением их в иных условиях, чем остальных клеток в трихоме.

    Дальнейшее развитие в группе цианобактерий шло по двум взаимосвязанным направлениям: по пути формирования функционально дифференцированных клеток и развития более тесных контактов между соседними, а через них и всеми клетками трихома. Основные типы дифференцированных клеток цианобактерий — акинеты, служащие для переживания в неблагоприятных условиях, и гетероцисты, обеспечивающие фиксацию молекулярного азота в аэробных условиях (рис. 24, А). Между гетероцистой и вегетативными клетками происходит активный обмен метаболитами: из вегетативных клеток в гетероцисту поступают дисахара, продукты фотосинтетической фиксации СO₂, а из гетероцисты — азотсодержащие вещества. Каналы, по которым осуществляется обмен метаболитами, сначала были постулированы на основании физиологических данных, а потом обнаружены при электронном микроскопировании. Это микроплазмодесмы, имеющие такое же строение, как и у безгетероцистных форм. Между соседними вегетативными клетками насчитывается от 100 до 250 таких структур, а между гетероцистой и вегетативной клеткой — около 50. У видов, имеющих функционально дифференцированные клетки, осуществляются более тесные межклеточные контакты, создающие условия для более активного обмена метаболитами внутри трихома.

Таким образом, нитчатые цианобактерии можно считать истинно многоклеточными организмами, у которых трихом предстает как целостный организм, некая физиологическая единица, а не скопление отдельных, чисто механически объединенных клеток.

 

    Потоки веществ в нитчатых цианобактериях

  * Стенка, отделяющая вегетативные клетки от внешней среды, снабжена каналами, через которые эти клетки получают воду и растворённые в ней углекислоту, азот и недифицитные МБЭ, а также выделяют кислород.

/* Транспорт перечисленных веществ осуществляется, по-видимому, с помощью пассивной диффузии.

  * Обмен вегетативных клеток с бактериями-экстракторами молекулами, содержащими редкие МБЭ, и молекулами глутамина не может определяться диффузией и происходит либо с помощью аппарата эндо- и экзоцитоза, либо способом активного транспорта.

  * Вегетативные клетки связаны друг другом проходами в разделяющей их мембране -  микроплазмодесмами, через которые происходит обмен молекулами и энергией в виде электрической части трансмембранного потенциала. 

  /* Передача редких БМЭ и глутамина наверняка не сводится к диффузии.

  * Чтобы удовлетворить как собственные нужды, так и запросы, поступающие от бактерий-экстракторов, каждая вегетативная клетка должна иметь определённый запас ионов и молекул, содержащих все необходимые МБЭ, а также молекул глутамина.

  * Наличие микроплазмодесм позволяет клеткам, обладающим бόльшим запасом, поделиться в случае необходимости со своими более бедными соседями.  

  Выбор расстояния между клетками-гетероцистами

  * Наибольшим запасом глутамина обладают вегетативные клетки – непосредственные соседи гетероцист, а наименьшим запасом – клетки, равноудалённые от ближайших гетероцист.

  * Вероятность появления неудовлетворённого спроса на глутамин возрастает с увеличением расстояния D между гетероцистами.

  * Реальное появление неудовлетворённого спроса на глутамин может служить сигналом о необходимости уменьшения величины D, т.е. вставки в соответствующем месте новой гетероцисты.

  Построение новой гетероцисты

  * Обычный путь построения гетероцист – перестройка вегетативной клетки.

  * Поскольку даже ничтожная примесь кислорода инактивирует нитрогеназу, при построении гетероцисты проводятся антикислородные конструктивные мероприятия:

 - для защиты от проникновения кислорода из внешней среды формируются три дополнительные газоплотные стенки, лишённые всех каналов;

 - демонтируется имевшаяся у вегетативной клетки фотосистема-2, продуцирующая кислород;

 - продуцируются специальные белки, очищающие цитоплазму от малейших примесей кислорода.

  * После проведения антикислородных мероприятий вновь созданная гетероциста начинает продуцировать нитрогеназу, однако вследствие ликвидации фотосистемы-2 она уже не может обеспечить процесс азотофиксации полной системой реагентов, так что требуется постоянный обмен метаболитами с соседней вегетативной клеткой.

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

  Из книги [Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. Изд. МГУ: http://evolution.powernet.ru/library/micro/index.html ]

...........................................

    Для фиксации N₂ необходим восстановитель в виде молекул восстановленного ферредоксина (иногда НАДФ-H₂) и химическая энергия в форме АТФ. Из-за отсутствия в гетероцистах нециклического транспорта электронов они не могут обеспечивать процесс азотфиксации фотохимически образованным восстановителем и зависят в этом отношении от межклеточного переноса метаболитов (рис. 86, Б). Восстановитель может или непосредственно транспортироваться из соседних вегетативных клеток в готовом виде, или же генерироваться в гетероцистах в темновых ферментативных процессах из исходного транспортируемого субстрата. В последнем случае таким субстратом служит дисахарид мальтоза — продукт восстановительного пентозофосфатного цикла. Ее катаболизирование, осуществляемое по активно функционирующему в гетероцистах окислительному пентозофосфатному пути, приводит к образованию молекул НАДФ-H₂, с которых водород может передаваться на ферредоксин в реакции, катализируемой ферредоксин: НАДФ-оксидоредуктазой. Источником АТФ в гетероцистах на свету служит зависимое от I фотосистемы циклическое фотофосфорилирование, в темноте — окислительное фосфорилирование.

    Нитрогеназная система катализирует восстановление N₂ до аммония. Последний включается в молекулу глутаминовой кислоты в реакции, катализируемой глутаминсинтетазой:

    В таком виде фиксированный азот транспортируется из гетероцист в вегетативные клетки, где с помощью глутаматсинтазы осуществляется перенос амидной группы на молекулу a-кетоглутарата:

    Одна из молекул глутамата возвращается в гетероцисту для очередного акцептирования NH₄⁺, другая поступает в метаболизм вегетативной клетки.

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////