Zvýšení účinnosti symbiotické fixace dusíku u luštěnin prostřednictvím rhizobiálních kmenů

Kód výsledku v 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>

Výsledek na webu

<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

—

Jazyk výsledku

čeština

Název v původním jazyce

Zvýšení účinnosti symbiotické fixace dusíku u luštěnin prostřednictvím rhizobiálních kmenů

Popis výsledku v původním jazyce

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.

Název v anglickém jazyce

Enhancing symbiotic nitrogen fixation efficiency in leguminous crop through rhizobia strains

Popis výsledku anglicky

Plant-available nitrogen can be supplied to the soil in several ways. In addition to the application of mineral fertilisers and the decomposition of dead tissues, there is the biological fixation of nitrogen from the air. Several groups of microorganisms are capable of fixing nitrogen, and some of them form a symbiotic relationship with plants from several families. In agricultural practice, the most important are the so-called nodule bacteria (e.g. Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium), which form a mutualistic symbiosis on the roots of plants of the Fabaceae family. The process of atmospheric nitrogen fixation, which involves breaking the triple bond of molecular nitrogen and forming ammonium ions, is catalysed by the bacterial enzyme nitrogenase. This enzyme requires an oxygen-free environment for its activity, which is provided by a layer of leghaemoglobin (more details in Lindström and Mousavi, 2019) under the surface of the nodule, making active nodules appear pink. It also requires large amounts of energy (hydrolysis of 16 moles of ATP is required to reduce one mole of N2; Seefeldt et al., 2009), which the bacteria receive from the plant in the form of sugars from photosynthesis. In return, the bacteria supply the plant with nitrogen in a usable form. The energy requirement of fixation is the reason why plants growing in soils with sufficient/excess of available nitrogen do not form nodules. It costs significantly less energy to take up nitrogen from fertilizers than to support the bacteria. However, producing nitrogen fertilizers costs us an enormous amount of energy. The establishment of symbiosis and the level of nitrogen fixation depend on the genotypes of both partners, the age of the plant, the amount of nitrogen in the soil, the environmental conditions. Our department has been involved in the determination of nitrogenase efficiency using the acetylene reduction assay (ARA; Hardy et al., 1968). This method utilizes the ability of nitrogenase to also reduce acetylene (C2H2) to ethylene (C2H4), under the same requirements for ATP and reducing agents, allowing the rate of acetylene reduction to be related to the rate of nitrogen reduction. For this analysis, plants are grown in a greenhouse in perlite and irrigated with nitrogen-deficient nutrient solution. Seedlings are inoculated with a specific rhizobial strain. Due to the nitrogen-free irrigation, plants are forced to establish symbiosis. Just before flowering, when nitrogen fixation is at its peak, the plants are removed from the perlite, the shoot is cut approximately 3 cm above the collar (to allow the plant to continue growing), the shoot and root system are weighed, the roots are placed in a bottle, which is then sealed. Using a syringe, 10 ml of acetylene is injected through the rubber stopper, and cultivation takes place for 30-60 minutes (according to Hardy et al., 1973). Then, a 1 ml gas sample is taken using the syringe and injected into a gas chromatograph to determine the amount of produced ethylene. ARA can be used to select red clover for higher levels of nitrogen fixation and to select the bacterial strains that have established the most efficient symbiosis with particular plant species. In the case of red clover, various genotypes are tested, inoculated with a proven bacterial strain. Plants with the highest ethylene values are selected for cross-breeding. When searching for the most suitable bacterial strain, a specific plant species is grown in several boxes with perlite, each containing at least 30 plants, and each box is inoculated with a different rhizobial strain. One box is left uninoculated as a control. In this case, it is observed which variant exhibits the highest ethylene values. The most effective strain is then suitable for inclusion in field experiments and has the potential for the production of functional inoculants. Using this method, strains have been selected for e. g. fenugreek (Trigonella foenum-graecum), goat’s rue (Galega orientalis), chickpea (Cicer arietinum var. Olga), bird’s-foot trefoil (Lotus corniculatus), and alfalfa (Medicago sativa).

Druh

O - Ostatní výsledky

CEP obor

—

OECD FORD obor

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

Projekt

—

Návaznosti

I - Institucionalni podpora na dlouhodoby koncepcni rozvoj vyzkumne organizace

Rok uplatnění

2024

Kód důvěrnosti údajů

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