Frankia¶

Frankia — это род грамположительных актинобактерий, способных вступать в симбиоз с корнями ряда древесных и кустарниковых растений (актиноризных растений), образуя на них клубеньки, в которых происходит фиксация атмосферного азота. Бактерии рода Frankia являются азотфиксаторами, играющими важную роль в круговороте азота в экосистемах умеренного и субтропического поясов, а также в лесном хозяйстве и рекультивации земель.

¶История открытия и изучения

Первые научные описания клубеньков на корнях ольхи (Alnus) были сделаны в XIX веке. В 1866 году немецкий ботаник Фридрих Гильдебрандт (Friedrich Hildebrandt) впервые описал эти образования, предположив их связь с микроорганизмами. Однако систематическое изучение началось в 1880-х годах, когда русский учёный Михаил Степанович Воронин (1838–1903) детально исследовал клубеньки на корнях ольхи и серой ольхи. В 1886 году Воронин опубликовал работу, в которой описал гифы и спорангии внутри клеток клубеньков, но не смог выделить возбудителя в чистую культуру. Род Frankia был назван в честь немецкого микробиолога Альберта Бернхарда Франка (Albert Bernhard Frank, 1839–1900), который в 1888 году впервые выделил и описал эти бактерии из клубеньков ольхи. Франк также ввёл термин «микориза» для симбиоза грибов и корней растений, но его работа по Frankia заложила основы для изучения актиноризного симбиоза.

Долгое время Frankia не удавалось культивировать в лабораторных условиях, что затрудняло их изучение. Первый успешный изолят в чистой культуре был получен в 1978 году американскими учёными Дэвидом Бейкером (David Baker) и Джоном Торри (John Torrey) из клубеньков Comptonia peregrina. С тех пор было выделено более 30 видов Frankia, а молекулярно-генетические методы (секвенирование 16S рРНК) позволили уточнить их филогению и таксономию.

¶Таксономия и классификация

Род Frankia относится к порядку Frankiales класса Actinobacteria. Внутри рода выделяют несколько генетических кластеров (групп), которые часто называют «группами Frankia»:

• Группа I (Frankia alni) — симбионты ольхи (Alnus) и некоторых других растений (Myrica, Comptonia). Характеризуются способностью к быстрому росту in vitro.
• Группа II (Frankia casuarinae) — симбионты казуарины (Casuarina) и Allocasuarina. Медленнорастущие, образуют клубеньки с характерной морфологией.
• Группа III (Frankia elaeagni) — симбионты лоха (Elaeagnus), облепихи (Hippophae), Shepherdia. Также медленнорастущие.
• Группа IV — включает несимбиотические (свободноживущие) штаммы, которые могут быть выделены из почвы, но не образуют клубеньков на растениях.

Всего описано около 20 видов, включая Frankia alni (типовой вид), Frankia casuarinae, Frankia elaeagni, Frankia inefficax, Frankia coriariae и другие. Видовая идентификация основана на генетических (секвенирование генов 16S рРНК, nifH, glnII) и фенотипических признаках.

¶Морфология и физиология

Frankia — это нитчатые (мицелиальные) бактерии, образующие ветвящиеся гифы диаметром 0,5–1,5 мкм. Клеточная стенка — грамположительная, содержит пептидогликан с мезо-диаминопимелиновой кислотой. В жизненном цикле Frankia выделяют три основных типа клеток:

1. Вегетативные гифы — основная форма роста, обеспечивающая питание и размножение.
2. Спорангии — структуры, содержащие споры (азиатские споры), которые служат для распространения и выживания в неблагоприятных условиях. Споры округлые или овальные, диаметром 1–2 мкм.
3. Везикулы — специализированные клетки, в которых происходит азотфиксация. Везикулы образуются на концах коротких гиф в ответ на низкую концентрацию связанного азота в среде. Они имеют толстую клеточную стенку, содержащую липиды, что защищает нитрогеназу от кислорода.

Frankia — облигатные аэробы, но азотфиксация происходит в микроаэрофильных условиях (низкое содержание кислорода). Они способны использовать различные источники углерода (глюкозу, сахарозу, ацетат, пропионат) и азота (аммоний, нитраты, аминокислоты). Оптимальная температура роста — 25–30 °C, pH — 6,5–7,5.

¶Симбиоз с растениями

Frankia образует актиноризный симбиоз с корнями растений из порядка Букоцветные (Fagales) и Розоцветные (Rosales), а также некоторыми другими. Основные семейства растений-хозяев:

• Betulaceae (берёзовые): ольха (Alnus) — около 30 видов.
• Myricaceae (восковницевые): восковница (Myrica), Comptonia.
• Casuarinaceae (казуариновые): казуарина (Casuarina), Allocasuarina — около 90 видов.
• Elaeagnaceae (лоховые): лох (Elaeagnus), облепиха (Hippophae), Shepherdia — около 50 видов.
• Rhamnaceae (крушиновые): цеанотус (Ceanothus), Discaria, Colletia — около 200 видов.
• Coriariaceae (кориариевые): кориария (Coriaria) — около 30 видов.

Всего известно около 200 видов актиноризных растений, распространённых в основном в умеренных и субтропических регионах Северного полушария, а также в Австралии и Южной Америке.

¶Механизм образования клубеньков

Инфекция начинается с проникновения бактерий через корневые волоски или через межклетники. Frankia выделяет сигнальные молекулы (факторы Nod, аналогичные тем, что у ризобий), которые распознаются растением. В ответ растение активирует деление клеток коры, образуя первичный клубенёк. Бактерии проникают внутрь клеток через инфекционные нити — трубчатые структуры, окружённые клеточной стенкой растения. Внутри клеток хозяина Frankia дифференцируется: образуются везикулы, в которых происходит азотфиксация. Клубеньки имеют характерную форму — лопастные или коралловидные, достигают 1–5 см в диаметре. Внутри клубенька бактерии находятся в симбиосомах — мембранных структурах, происходящих из плазмалеммы растения.

¶Азотфиксация

Азотфиксация осуществляется ферментом нитрогеназой, который восстанавливает молекулярный азот (N₂) до аммония (NH₃). Реакция требует энергии в виде АТФ (16 молекул на одну молекулу N₂) и восстановителя (ферредоксин). Нитрогеназа чувствительна к кислороду, поэтому в везикулах Frankia создаётся микроаэрофильная среда: толстая клеточная стенка везикул содержит липиды, которые снижают диффузию кислорода, а также присутствует белок гемоглобиноподобного типа (леггемоглобин), связывающий кислород. Аммоний, образующийся в результате фиксации, передаётся растению, которое использует его для синтеза аминокислот и нуклеотидов. Взамен растение обеспечивает бактерии углеводами (глюкозой, сахарозой), полученными в результате фотосинтеза.

¶Экологическое и хозяйственное значение

Frankia играет ключевую роль в круговороте азота в экосистемах. Актиноризные растения, благодаря симбиозу, способны расти на бедных азотом почвах, таких как песчаные дюны, гари, отвалы горных пород, берега рек. Они являются пионерными видами, заселяющими нарушенные территории. Например, ольха серая (Alnus incana) и ольха чёрная (Alnus glutinosa) широко используются для закрепления склонов и рекультивации земель в России.

В лесном хозяйстве актиноризные растения (особенно ольха) применяются для улучшения плодородия почв: они обогащают почву азотом, что способствует росту других деревьев. В сельском хозяйстве облепиха (Hippophae rhamnoides) и лох узколистный (Elaeagnus angustifolia) используются как плодовые и декоративные культуры, а также для защиты почв от эрозии. В тропических регионах казуарина (Casuarina equisetifolia) выращивается для получения древесины и как ветрозащитное растение.

Frankia также изучается в контексте биотехнологии: её способность фиксировать азот может быть использована для создания биоудобрений, а также для генетической модификации несимбиотических растений (например, злаков) с целью придания им способности к азотфиксации.

¶Методы исследования и культивирование

Культивирование Frankia in vitro требует специальных сред, например, среды BAP (Burkholder's agar with propionate) или среды QMOD (Quorum-modulated medium). Бактерии медленно растут (колонии появляются через 2–4 недели). Для выделения чистых культур используют клубеньки, которые стерилизуют поверхностно, затем гомогенизируют и высевают на агаризованные среды. Для идентификации применяют микроскопию (световую, электронную), ПЦР-анализ (гены 16S рРНК, nifH), секвенирование и филогенетический анализ. В России исследования Frankia проводятся в Институте микробиологии имени С. Н. Виноградского РАН, в Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова, а также в ряде региональных научных центров.

¶Источники

1. Benson D. R., Silvester W. B. Biology of Frankia strains, actinomycete symbionts of actinorhizal plants // Microbiological Reviews. — 1993. — Vol. 57, № 2. — P. 293–319.
2. Pawlowski K., Bisseling T. Rhizobial and actinorhizal symbioses: what are the shared features? // The Plant Cell. — 1996. — Vol. 8, № 10. — P. 1899–1913.
3. Normand P., Lapierre P., Tisa L. S. et al. Genome characteristics of facultatively symbiotic Frankia sp. strains reflect host range and host plant biogeography // Genome Research. — 2007. — Vol. 17, № 1. — P. 7–15.
4. Воронин М. С. О клубеньках на корнях ольхи // Труды Императорского Санкт-Петербургского ботанического сада. — 1886. — Т. 10. — С. 1–30.
5. Baker D. D., Torrey J. G. The isolation and cultivation of actinomycetous root nodule endophytes // Symbiotic Nitrogen Fixation in Plants. — Cambridge University Press, 1978. — P. 35–46.
6. Tisa L. S., Beauchemin N., Gtari M. et al. What stories can the Frankia genomes tell us? // Symbiosis. — 2016. — Vol. 70, № 1–3. — P. 35–43.