Автореферат «Плазмидосодержащие ризосферные бактерии рода pseudomonas, устойчивые к кобальту/никелю и стимулирующие рост растений» (стр. 1 )

На правах рукописи

СИУНОВА ТАТЬЯНА ВЯЧЕСЛАВОВНА

ПЛАЗМИДОСОДЕРЖАЩИЕ РИЗОСФЕРНЫЕ БАКТЕРИИ

РОДА PSEUDOMONAS, УСТОЙЧИВЫЕ К КОБАЛЬТУ/НИКЕЛЮ

И СТИМУЛИРУЮЩИЕ РОСТ РАСТЕНИЙ

Специальность 03.01.06 − Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

ПУЩИНО − 2011

Работа выполнена в лаборатории биологии плазмид Учреждения Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. РАН

Научный руководитель:                         кандидат биологических наук,

Владимир Васильевич Кочетков

Официальные оппоненты:                         доктор биологических наук,

Валентина Николаевна Хмеленина

  кандидат биологических наук,

Наталья Сергеевна Захарченко

Ведущая организация:        Учреждение Российской академии наук Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения, Пущино

Защита диссертации состоится « 1 »  декабря  2011 г. в 10 часов 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д 002.121.01 в Учреждении Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. РАН Московская область, г. Пущино, проспект Науки, 5.

       С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. РАН, Пущино.

Автореферат размещен на сайтах http://vak. и http://www. ibpm. ru

Автореферат разослан «  »  октября  2011 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета,

доктор биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами является одной из наиболее актуальных экологических проблем, поскольку затрагивает не только техногенные, но и природные ландшафты. По данным ВОЗ, никель и близкий по свойствам кобальт признаны веществами 2 класса опасности и канцерогенами. Территории, где осуществляется добыча или обработка металлов являются зонами чрезвычайной экологической ситуации, для которых характерно образование «биогеохимических провинций» с высоким содержанием никеля в воздухе, воде, почве и местных продуктах питания. По данным агрохимической службы Российской Федерации уровень загрязнения сельскохозяйственных почв никелем является умеренным, однако почвы, загрязненные никелем, по занимаемой площади превосходят почвы, загрязненные свинцом, кадмием, цинком и другими высокотоксичными металлами (Аристархов, Харитонова, 2002). Основными источниками загрязнения сельскохозяйственных почв никелем является неконтролируемое применение минеральных удобрений, а также осадков промышленных сточных вод, используемых в качестве мелиорантов (Аристархов, Харитонова, 2002).

В последнее десятилетие у производителей сельскохозяйственной продукции возрос интерес к применению биопрепаратов, разрабатываемых на основе ризосферных бактерий группы PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria) для стимуляции роста растений и защиты от фитопатогенов. Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что инокуляция растений ризосферными бактериями увеличивает риск аккумуляции металлов в растениях, выращиваемых на загрязненных почвах (Kamnev and van der Lelie, 2000; Zaidi et al., 2006; Белимов, 2008; Khan et al., 2009; Белимов, Тихонович, 2011). Устойчивые к тяжелым металлам ризосферные бактерии являются основой для разработки нового поколения биопрепаратов, предназначенных для стимуляции роста и защиты растений, а также для биоремедиации загрязненных почв. В связи с этим представляется целесообразным исследовать ризосферные бактерии, обладающие разнообразными механизмами устойчивости к тяжелым металлам, поскольку бактерии способны оказывать различное влияние на аккумуляцию металлов в растениях. Одним из эффективных механизмов, обеспечивающих высокий уровень устойчивости к никелю/кобальту у бактерий, является активный экспорт токсичных катионов из клетки в окружающую среду. Роль данного механизма устойчивости исследовалась только в штаммах эндофитных бактерий в фиторемедиационных экспериментах с субстратами, загрязненными никелем (Lodewyckx et al., 2001) или в комплексе с хлорированными ксенобиотиками (Weyens et al., 2010; 2011). Однако исследованные эндофитные штаммы не обладали свойствами, характерными для бактерий группы PGPR. К настоящему времени ремедиационный потенциал аналогичных генетических систем устойчивости в ризосферных бактериях не изучен. В связи с этим актуальным является поиск природных или создание рекомбинантных штаммов ризосферных бактерий, обладающих системами экспорта никеля и других металлов. При этом следует учитывать способность бактерий к биосорбции и иммобилизации металлов, что является важным фактором, регулирующим поступление тяжелых металлов в растения. Исследование ризосферных бактерий, обладающих различными механизмами устойчивости к тяжелым металлам, позволит понять принципы их взаимодействия с растениями и более эффективно реализовать генетический потенциал бактерий при разработке новых биотехнологий защиты растений и фиторемедиации почв, загрязненных как тяжелыми металлами, так и в комплексе с органическими токсикантами.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы являлось получение устойчивых к никелю/кобальту штаммов PGPR Pseudomonas и исследование их взаимодействия с растениями в условиях загрязнения тяжелыми металлами.

В соответствии с данной целью решались следующие задачи:

Из различных экологических ниш выделить и идентифицировать бактерии, содержащие плазмиды устойчивости к никелю (кобальту, цинку, кадмию), и определить соответствующие детерминанты устойчивости. Получить на основе различных видов PGPR Pseudomonas и выделенных плазмид новые штаммы, устойчивые к кобальту/никелю. Исследовать физиолого-биохимические особенности трансконьюгантов. Исследовать у полученных ризосферных штаммов особенности аккумуляции металлов из среды культивирования. Исследовать влияние устойчивых к кобальту/никелю ризосферных штаммов на аккумуляцию никеля в растениях и на параметры роста растений в вегетационных экспериментах, моделирующих загрязнение никелем. Сконструировать штаммы ризосферных бактерий, содержащие совместимые плазмиды – устойчивости к кобальту/никелю и биодеградации полиароматических углеводородов (ПАУ). Исследовать у полученных штаммов эффективность биодеградации нафталина в присутствии никеля в среде культивирования и способность стимулировать рост растений в условиях, моделирующих смешанное загрязнение ПАУ (включая нафталин и фенантрен) и никелем.

Научная новизна работы

Впервые у бактерий рода Comamonas обнаружена плазмида устойчивости к тяжелым металлам. Установлено, что плазмида pBS501 содержит детерминанту устойчивости к кобальту/никелю, гомологичную cnr оперону плазмиды pMOL28 из Cupriavidus metallidurans CH34 . Впервые показано, что экспрессия системы устойчивости cnr-типа из Comamonas testosteroni в штаммах PGPR Pseudomonas обеспечивает их выживаемость при высоких концентрациях никеля при сохранении комплекса свойств, обеспечивающих стимуляцию роста растений. Сконструированы штаммы PGPR Pseudomonas, содержащие природные плазмиды биодеградации полиароматических углеводородов (ПАУ) и устойчивости к кобальту/никелю. Показана способность штаммов к полной утилизации модельного ПАУ в присутствии 100 мкМ никеля при периодическом культивировании.

Научно-практическая значимость работы

Получен устойчивый к кобальту/никелю штамм Pseudomonas aureofaciens BS1393(pBS501), аккумулирующий из среды до 17% кобальта, который может быть использован в биотехнологиях очистки промышленных сточных вод от солей кобальта/никеля. Штамм Pseudomonas aureofaciens BS1393(pBS501), стимулирующий рост ячменя и препятствующий аккумуляции никеля в растительной биомассе, можно использовать при разработке биопрепарата для защиты растений, выращиваемых на почвах с загрязнением никелем до 5 ПДК. Полученные устойчивые к никелю/кобальту ризосферные штаммы-деструкторы ПАУ могут использоваться при разработке технологий очистки промышленных сточных вод, а также в качестве нового поколения биопрепаратов для защиты/стимуляции роста растений или биоремедиации почв со смешанным загрязнением нефтепродуктами, ПАУ и солями никеля/кобальта. Штамм P. aureofaciens BS1393(pBS216,pBS501) депонирован во Всероссийской коллекции микроорганизмов и подтвержден патентом РФ на изобретение № 000.

Апробация материалов работы

Основные результаты диссертации были представлены на 9 конференциях: «Экобиотехнология: Борьба с нефтяным загрязнением окружающей среды», 2001, Пущино; «Сельскохозяйственная микробиология в ХIХ−ХХI веках», Всероссийская конференция, 14−19 июня 2001, Санкт-Петербург; Всероссийская научно-практическая конференция «Биотехнология 2003», 22−26 сентября 2003 г., Сочи; 1-я Международная геоэкологическая конференция. Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, 30−31 октября 2003 г., Тула; «Биотехнология-2005», 8-й международный семинар-презентация инновационных научно-технических проектов, научно-практическая конференция, 18−19 ноября 2005, Наукоград Пущино; 4th International Phytoremediation Conference, September, 2007, Denver, Colorado; 11 International symposium on Microbial Ecology – ISME-11, Vienna, Austria, August 20−25, 2006; 2nd International Conference  «Rhizosphere», August 25−31, 2007, Montpellier, France; 4th International Phytoremediation Conference, September, 2007, Denver, Colorado; International Symposium on Applied Molecular Microbiology in Oil Systems (ISMOS), September 16−18, 2007, Colchester, England.

Публикации по теме диссертации

По материалам диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 6 статей, 2 главы в книгах, 9 тезисов, 1 патент РФ.