Wśród roślin i mikroorganizmów występuje wiele wzajemnych, pozytywnych oddziaływań. Rośliny zaopatrują mikroorganizmy w związki odżywcze, a w zamian otrzymują od nich związki azotowe.

Proces wiązania wolnego azotu NIndeks dolny 2₂ bakterie brodawkowe mogą prowadzić wyłącznie w symbioziesymbiozasymbiozie (mutualizm)mutualizm(mutualizm) z roślinami motylkowymi Fabaceae. Do tej grupy roślin zalicza się ponad 9% gatunków roślin dwuliściennych. Należą do nich m. in. groch Pisum, łubin Lupinus, soja Glycine, lucerna Medicago, wyka Vicia i koniczyna Trifolium. Rośliny z tej grupy wytwarzają specjalne brodawki korzeniowe, w których żyją wiążące wolny azot NIndeks dolny 2₂ bakterie brodawkowe Rhiziobium i Bradyrhizobium.

Bakterie brodawkowe żyjące w brodawkach korzeniowych roślin motylkowych Fabaceae pobierają z powietrza azot cząsteczkowy NIndeks dolny 2₂. Następnie redukują niedostępny dla roślin azot NIndeks dolny 2₂ do jonów amonowych (NHIndeks dolny 4₄Indeks górny +⁺) i azotanowych (NOIndeks dolny 3₃Indeks górny -^-). Azot w takiej postaci może być wykorzystywany przez rośliny. Proces ten nazywa się wiązaniem azotu atmosferycznego NIndeks dolny 2₂ przez mikroorganizmy.

Bakterie brodawkowe, które potrafią wiązać azot NIndeks dolny 2₂ tak, aby stał się dostępny dla roślin to:

R1TS59HQbNzlW1

Zdjęcie przedstawia drobne korzenie bobu pokryte ziemią, na których można zauważyć brodawki korzeniowe o zbitym, nieregularnym kształcie.

• symbiotyczne bakterie brodawkowe Rhiziobium, Bradyrhizobium i Sinorhizobium z rodziny Rhizobiaceae;

• symbiotyczne bakterie brodawkowe Azorhizobium z rodziny Xanthobacteraceae;

• symbiotyczne bakterie brodawkowe Mesorhizobium z rodziny Phyllobacteriaceae.

• lucerny Medicago, kozieradki Trigonella i nostrzyka Melilotus przez Enisfer meliloti

• koniczyny Trifolium przez Rhiziobium leguminosarum trifolii

Kompleks enzymatyczny, który umożliwia bakteriom symbiotycznym wiązanie azotu, to nitrogenazanitrogenazanitrogenaza i reduktaza nitrogenazowareduktaza nitrogenazowareduktaza nitrogenazowa. Reakcja wiązania może się dokonać wyłacznie w warunkach beztlenowych, ponieważ tlen hamuje działanie enzymów. W glebie, w której znajduje się tlen, bakterie Rhizobium z rodziny Rhizobiaceae nie są w stanie wiązać azotu. Z tego powodu rośliny wytwarzają na korzeniach specjalne narośla (brodawki), do których wnikają mikroorganizmy i przekształcają się w bakteroidybakteroidybakteroidy.

Brodawki powstają z komórek kory pierwotnej korzeni. Zewnętrzna warstwa brodawek pokryta jest ligniną, co ogranicza wymianę gazową.

Etapy rozwoju brodawki korzeniowej:

• roślina wysyła sygnały chemiczne, które przyciągają bakterie wiążące azot NIndeks dolny 2₂

• bakterie produkują i wysyłają sygnały powodujące wydłużanie włośników korzeniowych

• wpuklona błona komórkowa wytwarza nić infekcyjną

• bakterie penetrują korę pierwotną przez nić infekcyjną

• komórki kory pierwotnej i okolnicy dzielą się

• pęcherzyki z bakteriami uwalniane są do komórek kory pierwotnej

• bakterie wewnatrz pęcherzyka przekształcają się w  bakteroidy

• powstają brodawki korzeniowe dostarczające bakteriom pokarmu i przekazujące roślinie związki azotowe

• brodawka rośnie i wykształca warstwę komórek, których ściany mają dużą ilość ligniny blokującej przenikanie tlenu do wnętrza brodawki

Niektóre brodawki dodatkowo posiadają białko zwane leghemoglobinąleghemoglobinaleghemoglobiną, które ma zdolność czasowego wiązania tlenu. Dzięki temu w ich wnętrzu powstają warunki beztlenowe.

W takich warunkach kompleks nitrogenazy może przeprowadzić wiązanie azotu atmosferycznego NIndeks dolny 2₂. Jony amonowe, które powstają w tym procesie roślina wykorzystuje w procesach metabolicznych.

Cząsteczka azotu atmosferycznego NIndeks dolny 2₂ posiada stabilne, potrójne wiązanie kowalencyjne, bardzo trudne do rozerwania. Oszacowano, że ilość energii potrzebna do tego procesu wynosi 941 kJ.

Proces przekształcania azotu cząsteczkowego do jonu amonowego zachodzi w sposób złożony.

Reakcja przebiega następująco:

Bakterie brodawkowe żyjące w symbiozie z roślinami motylkowymi mają duże znaczenie dla roślin:

• wiążą wolny azot NIndeks dolny 2₂ niedostępny dla roślin i przekształcają go w dostępną dla nich formę

• umożliwiają wykorzystanie przez rośliny azotu atmosferycznego do budowy związków organicznych

• podnoszą poziom związków azotowych w roślinach motylkowych, a przez to zwiększają zawartość w nich białek

Znaczenie bakterii brodawkowych dla środowiska i gospodarki człowieka:

• zaopatrują glebę w azot pochodzący z naturalnego źródła

• przyczyniają się do obiegu pierwiastków w przyrodzie

• pozwalają na naturalne nawożenie gleby, co jest istotne w rolnictwie ekologicznym

• umożliwiają wykorzystywanie roślin motylkowych jako wartościowej paszy dla zwierząt

• dodatek suszu i ekstraktu białkowego z lucerny do pasz zwiększa wydajność hodowli zwierząt

• mieszanki motylkowo‑trawiaste stosowane jako pasze poprawiają jakość serów przez zwiększanie zawartości białka i zmniejszanie zawartości tłuszczu w mleku

• preparat białkowo‑ksantofilowy z lucerny, zalecany jako suplement diety u ludzi poprawia samopoczucie psychofizyczne, wzbogaca dietę w aminokwasy, białko, betakaroten, witaminy E, K, B9 oraz składniki mineralne: P, K, Na, Mg, Zn, Mn, Cu, Co, Se, Fe i Ca

Słownik