Введение

Корневые клубеньки встречаются на корнях растений, преимущественно бобовых, которые формируют симбиоз с азотфиксирующими бактериями. В условиях дефицита азота, растения, обладающие такой способностью, устанавливают симбиотические отношения со специфическим штаммом бактерий, известным как ризобии. Этот процесс эволюционировал многократно у бобовых, а также у других видов, входящих в кладу Розиды. К бобовым культурам относятся фасоль, горох и соя. Внутри корневых клубеньков бобовых, азотный газ (N2) из атмосферы преобразуется в аммиак (NH3), который затем ассимилируется в аминокислоты (строительные блоки белков), нуклеотиды (строительные блоки ДНК и РНК, а также важная энергетическая молекула АТФ) и другие клеточные компоненты, такие как витамины, флавоны и гормоны. Их способность фиксировать газообразный азот делает бобовые идеальными сельскохозяйственными растениями, поскольку снижается их потребность в азотных удобрениях. Действительно, высокое содержание азота блокирует развитие клубеньков, так как для растения нет выгоды в формировании симбиоза. Энергия для разрыва молекул азота в клубеньке поступает из сахара, который транспортируется из листа (продукт фотосинтеза). Малат, как продукт распада сахарозы, является прямым источником углерода для бактериоида. Фиксация азота в клубеньке крайне чувствительна к кислороду. Корневые клубеньки бобовых содержат железосодержащий белок, называемый легемоглобином, тесно связанный с миоглобином животных, для облегчения диффузии кислорода, используемого в дыхании.

Семейство бобовых

Растения, способствующие фиксации N2, включают семейство бобовые – Fabaceae – с такими таксонами, как кудзу, клевер, соя, люцерна, люпины, арахис и ройбуш. Они содержат симбиотические бактерии, называемые ризобиями, внутри клубеньков, производящие азотные соединения, которые помогают растению расти и конкурировать с другими растениями. Когда растение отмирает, фиксированный азот высвобождается, становясь доступным для других растений, что способствует удобрению почвы. Подавляющее большинство бобовых имеют эту ассоциацию, но некоторые роды (например, Styphnolobium) не имеют её. Во многих традиционных сельскохозяйственных практиках поля чередуют различные виды культур, что обычно включает в себя посев бобовых культур, таких как клевер, для использования этого преимущества.

Классификация

В бобовых описаны два основных типа клубеньков: определенные и неопределенные. Определенные клубеньки встречаются у некоторых триб тропических бобовых, таких как представители родов Glycine (соя), Phaseolus (обычная фасоль) и Vigna, а также у некоторых умеренных бобовых, таких как Lotus. Эти определенные клубеньки теряют меристематическую активность вскоре после инициации, поэтому рост происходит за счет расширения клеток, в результате чего формируются зрелые клубеньки сферической формы. Другой тип определенных клубеньков встречается у широкого спектра трав, кустарников и деревьев, таких как Arachis (арахис). Они всегда связаны с пазухами боковых или придаточных корней и образуются после заражения через трещины в местах выхода этих корней, а не через корневые волоски. Их внутреннее строение значительно отличается от клубеньков соевого типа. Неопределенные клубеньки встречаются у большинства бобовых из всех трех подсемейств, как в умеренных регионах, так и в тропиках. Их можно наблюдать у бобовых семейства Faboideae, таких как Pisum (горох), Medicago (люцерна), Trifolium (клевер) и Vicia (вика), а также у всех мимозоидных бобовых, таких как акации, и у немногих бобовых цезальпиноидов, образующих клубеньки, например, у горошка птичьего. Они получили название "неопределенные", поскольку поддерживают активную апикальную меристему, которая производит новые клетки для роста на протяжении всей жизни клубенька. Это приводит к тому, что клубеньки обычно имеют цилиндрическую форму, которая может быть сильно разветвленной. Зона I – активная меристема. Здесь формируется новая ткань клубенька, которая впоследствии дифференцируется в другие зоны клубенька. Зона II – зона заражения. Эта зона пронизана инфекционными нитями, заполненными бактериями. Растительные клетки крупнее, чем в предыдущей зоне, и деление клеток прекращается. Межзона II–III – Здесь бактерии проникли в растительные клетки, содержащие амилопласты. Они удлиняются и начинают терминально дифференцироваться в симбиотические, азотфиксирующие бактериоиды. Зона III – зона фиксации азота. Каждая клетка в этой зоне содержит большую центральную вакуоль, а цитоплазма заполнена полностью дифференцированными бактериоидами, активно фиксирующими азот. Растение обеспечивает эти клетки легемоглобином, что придает им отчетливый розовый цвет. Зона IV – зона старения. Здесь растительные клетки и их бактериоидное содержимое подвергаются деградации. Распад гемового компонента легемоглобина приводит к видимой позеленению у основания клубенька. Это наиболее изученный тип клубеньков, но детали значительно отличаются в клубеньках арахиса и родственных видов, а также в некоторых других важных культур, таких как люпины, где клубеньки формируются после прямого заражения ризобиями через эпидермис и где инфекционные нити никогда не образуются. Клубеньки растут вокруг корня, образуя воротникообразную структуру. В этих клубеньках и в клубеньках арахисового типа центральная инфицированная ткань однородна, в отличие от неинфицированных клеток, наблюдаемых в клубеньках сои и многих неопределенных типов, таких как горох и клевер. Клубеньки актиноризового типа имеют значительно отличающуюся структуру и встречаются у не бобовых растений. В этом типе клетки, происходящие из корневой коры, формируют инфицированную ткань, а предклубеньковый узел становится частью зрелого клубенька. Несмотря на эту кажущуюся существенную разницу, такие клубеньки можно получить у бобовых с помощью единственной гомеотической мутации.

Нодуляция

Бобовые растения выделяют органические соединения в качестве вторичных метаболитов, называемые флавоноидами, из своих корней, которые привлекают к ним ризобии и также активируют гены *nod* у бактерий для производства *nod*-факторов и инициирования образования клубеньков. Эти *nod*-факторы вызывают завивание корневых волосков. Завивание начинается с самой верхушки корневого волоска, обвивающейся вокруг ризобии. Внутри кончика корня формируется небольшая трубка, называемая инфекционной нитью, которая обеспечивает путь для ризобии к проникновению в эпидермические клетки корня по мере продолжения завивания корневого волоска. Частичное завивание может быть достигнуто даже только одним *nod*-фактором. Эффективное клубенькообразование происходит примерно через четыре недели после посадки культуры, при этом размер и форма клубеньков зависят от вида культуры. У культур, таких как соя или арахис, клубеньки будут крупнее, чем у кормовых бобовых, таких как красный клевер или люцерна, поскольку их потребность в азоте выше. Количество клубеньков и их внутренний цвет указывают на состояние фиксации азота в растении. Клубенькообразование контролируется различными процессами, как внешними (температура, кислые почвы, засуха, нитраты), так и внутренними (авторегуляция клубенькообразования, этилен). Авторегуляция клубенькообразования контролирует количество клубеньков на растении посредством системного процесса, включающего листья. Ткань листьев воспринимает ранние события клубенькообразования в корне через неизвестный химический сигнал, а затем ограничивает дальнейшее развитие клубеньков в вновь формирующейся ткани корня. Рецепторные киназы, богатые лейцином (LRR) (NARK у сои (Glycine max); HAR1 у *Lotus japonicus*, SUNN у *Medicago truncatula*) необходимы для авторегуляции клубенькообразования (AON). Мутация, приводящая к потере функции этих киназ рецепторов AON, приводит к суперклубенькообразованию или гиперклубенькообразованию. Часто аномалии роста корней сопровождают потерю активности киназы рецептора AON, что позволяет предположить, что рост клубеньков и развитие корней функционально связаны. Исследования механизмов образования клубеньков показали, что ген *ENOD40*, кодирующий белок из 12–13 аминокислот [41], активируется во время образования клубеньков [3].

Соединение с корневой структурой

Корневые клубеньки, по всей видимости, эволюционировали трижды внутри семейства Бобовые (Fabaceae), но за пределами этого семейства встречаются редко. Способность этих растений формировать корневые клубеньки, по-видимому, связана со строением их корневой системы. В частности, склонность к развитию боковых корней в ответ на абсцизиновую кислоту могла стать предпосылкой для последующей эволюции корневых клубеньков.

Узловидные структуры

Некоторые грибы образуют узелковые структуры, известные как туберкулезные эктомикоризы, на корнях растений-хозяев. Например, Suillus tomentosus формирует такие структуры на корнях сосны гибкой (Pinus contorta var. latifolia). В этих структурах, в свою очередь, обитают азотфиксирующие бактерии, которые вносят существенный вклад в обеспечение азотом и позволяют сосне колонизировать бедные питательными веществами участки.