Самки шмелей посещают цветы Chamaecrista latistipula в дикой природе. Насекомое заставляет внутренние части цветка вибрировать, чтобы извлечь богатые белком пыльцевые зерна, которые оно уносит, чтобы накормить личинок колонии. Автор: Ансельмо Ногейра
Бактерии, которые живут в почве и помогают корням фиксировать азот, могут повышать способность некоторых растений к размножению, согласно статье, опубликованной в Американском журнале ботаники, описывающей исследование этого механизма у Chamaecrista latistipula, бобового растения, принадлежащего к семейству Fabaceae, куда входят фасоль и горох.
Бактерии в почве повышают привлекательность цветков растения для опылителей посредством типа отношений, известного как мутуализм, который широко распространен среди растений и животных. Микроорганизмы, такие как бактерии или грибы, способствуют и получают выгоду от мутуалистических отношений с растениями, посредством которых обе стороны получают больше питательных веществ или размножаются более энергично, например.
В случае C. latistipula, кустарника, родной ареал которого охватывает Боливию, Бразилию и северо-восток Аргентины, почва, в которой он растет, как правило, бедна питательными веществами, и для его размножения требуется определенный тип опылителей.
«Его мутуалистические отношения с азотфиксирующими бактериями увеличивают подачу питательных веществ к его корням в обмен на сахар, которым они питаются», — сказал Ансельмо Ногейра, профессор Центра естественных и гуманитарных наук Федерального университета ABC (CCNH-UFABC) в Сан-Бернарду-ду-Кампу, штат Сан-Паулу, Бразилия.
«У растения также есть мутуалистические отношения с определенным типом опылителей. Пыльца, хранящаяся в пыльниках его цветков, высвобождается только тогда, когда они вибрируют, в основном, когда их встряхивают самки некоторых видов шмелей рода Bombus».
Эксперимент в теплице, проведенный в Лаборатории взаимодействия растений и животных, которую возглавляет Ногейра, показал, что эти бактерии играют важную роль в том, чтобы сделать цветы привлекательными для шмелей, особенно для растений, растущих на почве с низким содержанием питательных веществ.
«Мы также наблюдали резкий эффект, которого не ожидали. Поскольку связь с бактериями обходится растению очень дорого, мы предположили, что в богатой азотом почве растения будут просто брать азот непосредственно из почвы, но в наших экспериментах богатая питательными веществами почва не давала здоровых растений с привлекательными цветами», — сказала Кэролайн Соуза, первый автор статьи.
Эксперимент был частью проекта «Синергическое воздействие множественных мутуалистов на растения: как бактерии, муравьи и пчелы способствуют эволюции гиперразнообразной линии бобовых», который координирует Ногейра.
Бактерии, растения и насекомые
В ходе эксперимента исследователи отслеживали рост 60 растений C. latistipula с момента прорастания семян в течение 16 месяцев. Половину выращивали в почве, состоящей в основном из песка (90%) с тонким слоем органического верхнего слоя почвы (10%) и низкой концентрацией питательных веществ, особенно азота. Другую половину выращивали в почве, богатой органическими веществами и дополненной нитратом калия, который выделяет азот в почву. Кислотность почвы контролировали в течение шести месяцев в обоих случаях, чтобы гарантировать, что pH был нейтральным и не влиял на взаимодействие корней и бактерий.
Перед посевом семена стерилизовали спиртом, гипохлоритом натрия и перекисью водорода для устранения бактерий, которые могли повлиять на результаты, а затем промывали в дистиллированной воде. Почву стерилизовали при высокой температуре в автоклаве для устранения микроорганизмов.
Затем два типа почвы были подвергнуты различным обработкам. Раствор, содержащий ризобии (бактерии, которые фиксируют азот в корнях растений), был добавлен в половину горшков с бедной азотом песчаной почвой и в половину горшков с богатой азотом органикой. В остальных не было бактерий. Ризобии, используемые в эксперименте, были выделены непосредственно из корневых клубеньков, обнаруженных на C. latistipula в дикой природе.
В бедной азотом песчаной почве без добавления бактерий растения росли очень плохо и имели постоянно желтоватые листья из-за недостатка азота. Растения, выращенные в бедной азотом песчаной почве с добавлением ризобий, развивались удовлетворительно.
«В бедной азотом песчаной почве с азотфиксирующими бактериями растения были почти в два раза выше и в три раза крупнее тех, что росли в богатой азотом почве с органическим веществом и ризобиями. С другой стороны, растения, выращенные без ризобий как в песчаной почве, так и в почве, богатой органическим веществом, были короче и меньше тех, что росли с ризобиями», — сказал Ногейра.
Исследователи проанализировали цветы с помощью поверхностного спектрофотометра, который измеряет, как отражается свет. «Основываясь на отражательной способности цветов, измеренной таким образом, мы проверили изменения в цветовых контрастах, воспринимаемых шмелями в различных почвах с бактериями и без них», — сказал Соуза.
Значительные различия были обнаружены только у растений, выращенных на бедной азотом песчаной почве с ризобиями: их пыльники имели рисунок, который считается особенно привлекательным для шмелей, которые воспринимают цветовой спектр иначе, чем люди.
«Пыльники содержат пыльцу и могут быть доступны только насекомым, способным заставить их вибрировать, чего не могут сделать экзотические виды, такие как, например, европейская медоносная пчела Apis mellifera», — объяснил Соуза.
Пыльца является важным источником белка для личинок всех видов пчел, включая шмелей и других местных пчел. Питательные вещества в пыльце значительно влияют на рост и развитие личинок.
После проведения измерений исследователи вынули растения из горшков, чтобы проанализировать их корни. Количество корневых клубеньков служило показателем взаимодействия с ризобиями.
Клубеньки — это похожие на шишки структуры, которые образуются на корнях бобовых растений в результате симбиотической инфекции азотфиксирующими бактериями. Мутуалистические отношения с бактериями позволяют растениям вырабатывать необходимые им аминокислоты.
Аминокислоты и их производные выполняют множество функций в растениях, способствуя синтезу белка, развитию, питанию и реакциям на стресс. Взамен растения снабжают сахарные бактерии энергией и ростом, позволяя им размножаться в клубеньках.
В ходе эксперимента растения, выращенные на бедной азотом песчаной почве и инокулированные ризобиями, имели больше всего клубеньков.
«Теперь мы хотим узнать, обогащена ли эта пыльца, которая доступна только самкам местных пчел, белками и аминокислотами из-за партнерства между растениями и бактериями. Повышенная привлекательность цветов может быть связана с большим количеством высококачественных ресурсов, на которые влияет высокая скорость фиксации азота корнями», — сказал Ногейра.
Дополнительная информация: Кэролайн Соуза и др., Азотфиксирующие бактерии повышают привлекательность цветов у тропических бобовых видов во время ограничения питательных веществ, Американский журнал ботаники (2024). DOI: 10.1002/ajb2.16363
Информация о журнале: American Journal of Botany
Предоставлено FAPESP
