Enhancing symbiotic nitrogen fixation efficiency in leguminous crop through rhizobia strains

Result code in IS VaVaI

<a href="https://www.isvavai.cz/riv?ss=detail&h=RIV%2F26296080%3A_____%2F24%3AN0000027" target="_blank" >RIV/26296080:_____/24:N0000027 - isvavai.cz</a>

Result on the web

<a href="https://www.vupt.cz/storage/app/media/Konference%20mlad%C3%BDch/Sborn%C3%ADk.pdf" target="_blank" >https://www.vupt.cz/storage/app/media/Konference%20mlad%C3%BDch/Sborn%C3%ADk.pdf</a>

DOI - Digital Object Identifier

—

Result language

čeština

Original language name

Zvýšení účinnosti symbiotické fixace dusíku u luštěnin prostřednictvím rhizobiálních kmenů

Original language description

Rostlinami využitelný dusík může být do půdy dodáván několika způsoby. Vedle aplikace minerálních hnojiv a rozkladu odumřelých pletiv a tkání se jedná o biologickou fixaci vzdušného dusíku. Fixovat dusík umí několik skupin mikroorganismů a některé z nich tvoří symbiózu s rostlinami několika čeledí. Pro zemědělskou praxi jsou nejvýznamnější tzv. hlízkové bakterie (např. Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium) navazující mutualistickou symbiózu na kořenech rostlin z čeledi bobovité (Fabaceae). Fixace vzdušného dusíku, neboli rozštěpení trojné vazby molekulového dusíku a vzniku amonného kationtu, je katalyzována bakteriálním enzymem nitrogenáza. Tento enzym potřebuje ke své činnosti bezkyslíkaté prostředí, které zajišťuje vrstva leghemoglobinu (podrobněji v Lindström a Mousavi, 2019) pod povrchem hlízky, díky níž jsou aktivní hlízky růžové. Dále potřebuje velké množství energie (je potřeba hydrolyzovat 16 molu ATP na redukci 1 molu N2; Seefeldt et al., 2009), které bakterie získávají od rostliny ve formě cukrů z fotosyntézy. Na oplátku rostlině poskytují dusík v přijatelné formě. Energetická náročnost fixace je důvodem, proč na polích s dostatkem/nadbytkem přístupného dusíku tyto rostliny netvoří hlízky. Přijmout dusík pocházející z hnojiva rostlinu stojí výrazně méně energie než podpora bakterií. Ovšem vyrobit dusíkaté hnojivo stojí obrovské množství energie nás. Navázání symbiózy a úroveň fixace dusíku závisí na genotypu obou aktérů, stáří rostliny, množství dusíku v půdě, okolních podmínkách. Naše pracoviště se zabývá stanovením efektivity nitrogenázy pomocí acetylén redukční metody (acethylen reduction assay; ARA; Hardy et al., 1968). Tato metoda využívá schopnost nitrogenázy redukovat také acetylén (C2H2) na etylén (C2H4), a to za stejných nároků na ATP a redukční činidlo, a vztažitelnost rychlosti redukce acetylénu k rychlosti redukce dusíku. Pro tuto analýzu jsou rostliny pěstovány ve skleníku v perlitu a zalévány dusík deficientní zálivkou. Semenáčky jsou inokulovány konkrétním rhizobiálním kmenem. Díky zálivce bez dusíku jsou rostliny donuceny navázat symbiózu. Těsně před kvetením, kdy je úroveň fixace dusíku nejvyšší, jsou rostliny vyjmuty z perlitu, je jim ustřihnut prýt přibližně 3 cm nad krčkem (aby rostlina mohla dále růst), je zvážen prýt a kořenový systému, kořenový systém je vložen do lahve, která je poté uzavřena. Pomocí injekční stříkačky je přes gumový uzávěr do lahve aplikováno 10 ml acetylénu, 30-60 min probíhá kultivace, poté je opět pomocí injekční stříkačky odebrán vzorek plynu o objemu 1 ml (dle Hardy et al., 1973). Vzorek je vstříknut do plynového chromatografu a je určeno množství vyprodukovaného etylénu. Prostřednictvím ARA je na našem pracovišti selektován jetel luční na vyšší úroveň fixace dusíku a vybírány bakteriální kmeny, které s daným rostlinným druhem navazují nejúčinnější symbiózu. Tedy v případě jetele lučního jsou testovány různé genotypy, které jsou inokulovány stejným již odzkoušeným bakteriálním kmenem. Jsou vybírány rostliny s nejvyššími hodnotami etylénu a ty poté mezi sebou kříženy. V případě hledání nejvhodnějšího bakteriálního kmene je pěstován konkrétní rostlinný druh v několika nádobách s perlitem alespoň po 30 rostlinách a každá nádoba je inokulována jiným kmenem rhizobia. Vždy jedna nádoba je neinokulovaná a slouží jako kontrola. V tomto případě je sledováno, která varianta vykazuje nejvyšší hodnoty etylénu. Nejvíce fixující kmen je vhodný pro zařazení do experimentů v polních podmínkách a má potenciál pro výrobu funkčních inokul. Tímto způsobem byly vytipovány kmeny např. pro pískavici řecké seno, jestřabinu východní, cizrnu beraní var. Olga, štírovník růžkatý, vojtěšku setou.

Czech name

Zvýšení účinnosti symbiotické fixace dusíku u luštěnin prostřednictvím rhizobiálních kmenů

Czech description

Rostlinami využitelný dusík může být do půdy dodáván několika způsoby. Vedle aplikace minerálních hnojiv a rozkladu odumřelých pletiv a tkání se jedná o biologickou fixaci vzdušného dusíku. Fixovat dusík umí několik skupin mikroorganismů a některé z nich tvoří symbiózu s rostlinami několika čeledí. Pro zemědělskou praxi jsou nejvýznamnější tzv. hlízkové bakterie (např. Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium) navazující mutualistickou symbiózu na kořenech rostlin z čeledi bobovité (Fabaceae). Fixace vzdušného dusíku, neboli rozštěpení trojné vazby molekulového dusíku a vzniku amonného kationtu, je katalyzována bakteriálním enzymem nitrogenáza. Tento enzym potřebuje ke své činnosti bezkyslíkaté prostředí, které zajišťuje vrstva leghemoglobinu (podrobněji v Lindström a Mousavi, 2019) pod povrchem hlízky, díky níž jsou aktivní hlízky růžové. Dále potřebuje velké množství energie (je potřeba hydrolyzovat 16 molu ATP na redukci 1 molu N2; Seefeldt et al., 2009), které bakterie získávají od rostliny ve formě cukrů z fotosyntézy. Na oplátku rostlině poskytují dusík v přijatelné formě. Energetická náročnost fixace je důvodem, proč na polích s dostatkem/nadbytkem přístupného dusíku tyto rostliny netvoří hlízky. Přijmout dusík pocházející z hnojiva rostlinu stojí výrazně méně energie než podpora bakterií. Ovšem vyrobit dusíkaté hnojivo stojí obrovské množství energie nás. Navázání symbiózy a úroveň fixace dusíku závisí na genotypu obou aktérů, stáří rostliny, množství dusíku v půdě, okolních podmínkách. Naše pracoviště se zabývá stanovením efektivity nitrogenázy pomocí acetylén redukční metody (acethylen reduction assay; ARA; Hardy et al., 1968). Tato metoda využívá schopnost nitrogenázy redukovat také acetylén (C2H2) na etylén (C2H4), a to za stejných nároků na ATP a redukční činidlo, a vztažitelnost rychlosti redukce acetylénu k rychlosti redukce dusíku. Pro tuto analýzu jsou rostliny pěstovány ve skleníku v perlitu a zalévány dusík deficientní zálivkou. Semenáčky jsou inokulovány konkrétním rhizobiálním kmenem. Díky zálivce bez dusíku jsou rostliny donuceny navázat symbiózu. Těsně před kvetením, kdy je úroveň fixace dusíku nejvyšší, jsou rostliny vyjmuty z perlitu, je jim ustřihnut prýt přibližně 3 cm nad krčkem (aby rostlina mohla dále růst), je zvážen prýt a kořenový systému, kořenový systém je vložen do lahve, která je poté uzavřena. Pomocí injekční stříkačky je přes gumový uzávěr do lahve aplikováno 10 ml acetylénu, 30-60 min probíhá kultivace, poté je opět pomocí injekční stříkačky odebrán vzorek plynu o objemu 1 ml (dle Hardy et al., 1973). Vzorek je vstříknut do plynového chromatografu a je určeno množství vyprodukovaného etylénu. Prostřednictvím ARA je na našem pracovišti selektován jetel luční na vyšší úroveň fixace dusíku a vybírány bakteriální kmeny, které s daným rostlinným druhem navazují nejúčinnější symbiózu. Tedy v případě jetele lučního jsou testovány různé genotypy, které jsou inokulovány stejným již odzkoušeným bakteriálním kmenem. Jsou vybírány rostliny s nejvyššími hodnotami etylénu a ty poté mezi sebou kříženy. V případě hledání nejvhodnějšího bakteriálního kmene je pěstován konkrétní rostlinný druh v několika nádobách s perlitem alespoň po 30 rostlinách a každá nádoba je inokulována jiným kmenem rhizobia. Vždy jedna nádoba je neinokulovaná a slouží jako kontrola. V tomto případě je sledováno, která varianta vykazuje nejvyšší hodnoty etylénu. Nejvíce fixující kmen je vhodný pro zařazení do experimentů v polních podmínkách a má potenciál pro výrobu funkčních inokul. Tímto způsobem byly vytipovány kmeny např. pro pískavici řecké seno, jestřabinu východní, cizrnu beraní var. Olga, štírovník růžkatý, vojtěšku setou.

Type

O - Miscellaneous

CEP classification

—

OECD FORD branch

40106 - Agronomy, plant breeding and plant protection; (Agricultural biotechnology to be 4.4)

Project

—

Continuities

I - Institucionalni podpora na dlouhodoby koncepcni rozvoj vyzkumne organizace

Publication year

2024

Confidentiality

S - Úplné a pravdivé údaje o projektu nepodléhají ochraně podle zvláštních právních předpisů