CHARAKTERYSTYKA RÓŻNYCH KORZENI I ROZWÓJ SYMBIOZY MIKORYZOWEJ. Bożenna Borkowska

Transkrypt

1 CHARAKTERYSTYKA RÓŻNYCH TYPÓW MIKORYZY, ZASIEDLANIE KORZENI I ROZWÓJ SYMBIOZY MIKORYZOWEJ Bożenna Borkowska Instytut Sadownictwa i Kwiaciarstwa Skierniewice

2 Miejsce GRZYBÓW wśród żywych organizmów Archeany Eubakterie Prokaryota (organizmy bezjądrowe) Rośliny Zwierzęta Grzyby Protista (pierwotniaki, glony) Eukaryota (organizmy jądrowe) Grzyby były wcześniej zaliczane do roślin. Wraz z rozwojem biologii molekularnej, fizjologii, biochemii i innych nauk - uznano, że grzybynależy wyodrębnić z królestwa roślin i utworzyć osobne królestwo grzybów.

3 Charakterystyka królestwa grzybów grzybywcześniej zaliczane do królestwa roślin zostały wyodrębnione w królestwo grzybów liczba gatunków szacowana na 1.5 mln (opisanych mniej niż 10%) grzyby charakteryzują się wielką różnorodnością (genetyczną, fizjologiczną, morfologiczną i funkcjonalną) posiadają także wspólne cechy (zawsze cudzożywne, ściany komórkowe są zbudowane z chityny, pokarm pobierają przez absorpcję) wyodrębniono 4 typy grzybów: - Zygomycetes - Ascomycetes - Basidiomycetes - Mitosporing (dawniej Imperfecti)

4 Podział grzybów ze względu na ich funkcjonowanie Grzyby są cudzożywne (heterotroficzne) tzn. że korzystają zmaterii organicznej wytwarzanej przez inne organizmy, z którymi tworzą wielorakie powiązania: symbioza - zrównoważone współżycie z żywymi roślinami (połączenia poprzez korzenie). Od roślin otrzymują asymilaty, a dostarczają im wodę izwiązki mineralne. saprofity (saprotrofy) - żyjąj na martwych tkankachk roślinnych. patogeny/pasożyty - żyją na żywych organizmach ludzi, zwierząt, roślin, a także innych grzybów. Nie tylko ogładzają gospodarza ale wydzielają szkodliwe dla tych organizmów związki (toksyny).

5 Symbioza Symbioza zjawisko ścisłego współżycia przynajmniej dwóch organizmów, które przynosi korzyści każdej ze stron (mutualizm) lub tylko jednej, ale drugiej nie szkodzi (komensalizm). Symbioza może być obligatoryjna (związek niezbędny) oraz fakultatywna (związek może być okresowy). Powszechnie spotykanym rodzajem symbiozy jest mikoryza współżycie roślin i grzybów zasiedlających korzenie. Grzyb ułatwia pobieranie wody i soli mineralnych, modyfikując system korzeniowy przez przedłużenie i rozgałęzienie korzeni. Grzyb wspomaga również aktywność enzymatyczną, dzięki czemu uruchamiane są składniki pokarmowe, dotychczas niedostępne dla roślin. Od rośliny dostaje w zamian substancje organiczne, powstające w procesie fotosyntezy. Symbiozą jest również współżycie bakterii z roślinami np. wiążących azot atmosferyczny. Bakterie często towarzyszą symbiozie roślin z grzybami, spełniając wtedy rolę wspomagającą. Bakterie te zwane są helperami lub Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR).

6 MIKORYZA

7 Rodzaje mikoryzy Najstarszą i najbardziej rozpowszechnioną jest mikoryza endotroficzna (wewnętrzna) zwana arbuskularną (arbuscular mycorrhizal fungi (AMF, AM) lub pęcherzykowato-arbuskularną (vesicular-arbuscular VAM, VA). Drugą pod względem częstotliwości występowania jest mikoryza ektotroficzna (ecto-mycorrhizal fungi EMF, EM ). Wytworzyła się ona znacznie później niż mikoryza arbuskularna i zasiedla 3-5% roślin. Najmłodszą mikoryzą o znacznie mniejszym zasięgu występowania niż dwie poprzednie jest mikoryza erikoidalna (ericoid mycorrhiza ERM, ER, zwana teżż ektendomikoryza), która zasiedla rośliny należące ż do Ericaeae. Ei Wyróżnia się też mikoryzę arbutoidalną, która zasiedla rośliny należące do Arbutus i Pyrola oraz monotroidalną rozwijającą się na roślinach bezchlorofilowych. Jedną z ważniejszych dla roślin ozdobnych jest mikoryza storczykowa Jest to mikoryza obligatoryjna, oznacza to, że storczyki rosną wyłącznie po zasiedleniu przez grzyby mikoryzowe. Nasiona nie wykiełkują bez grzybów mikoryzowych.

8 Rodzaje mikoryzy Oprócz grzybów, które wchodzą z roślinami w symbiozę znajduje się na korzeniach wiele innych grzybów nie tworzących żadnych powiązań z roślinami, ale mogących pośrednio wspomagać ich wzrost np. grzyb Trichoderma harzianum, który jest pasożytem patogenów grzybowych. Dark septate endophytes (DSE) grzyby wielofunkcyjne. Poznane jako pseudomikoryzowe, aktywne również jako saprofityczne, obligatoryjnie lub fakultatywnie patogeniczne (analogicznie do grzybów z grupy rhizoctonia). Mogą współdziałać ć z grzybami mikoryzowymi albo być dla nich alternatywą, szczególnie w procesie pobierania składników pokarmowych i zaopatrywania rośliny gospodarza w wodę. Ograniczają wzrost larw atakujących rośliny. Piriformospora indica i Sebacina sp., zasiedlając korzenie tworzą struktury podobne do mikoryzy erikoidalnej, storczykowej także endomikoryzy (rozgałęzienia strzępek). Zasiedlają rośliny jedno i dwuliścienneś rosnące w różnych strefach klimatycznych.

9 Zasiedlanie korzeni roślin Kilka milimetrów warstwy gleby przylegającej j do korzeni, poddanej biologicznej i chemicznej aktywności korzeni nosi nazwę ryzosfera. Strefa gleby w której rozwijają strzępki grzybów mikoryzowych nosi nazwę mikoryzosfera (ryzosfera poszerzona o zewnętrzną część grzybni). Grzyb, który znajdzie na korzeniu miejsce dogodne dla rozpoczęcia wrastania, zostaje rozpoznawany przez roślinę jako patogen lub przyjaciel. W przypadku patogena roślina uruchamia mechanizmy obronne, które mają uniemożliwić, a przynajmniej utrudnić infekcję. Reakcja taka nie występuje w kontakcie z grzybami mikoryzowymi.

10 Powstawanie mikoryzy Powstawanie połączeń mikoryzowych odbywa się w kilku etapach: faza asymbiotyczna wczesne stadium kontaktu grzyb-roślina faza symbiotyczna Pierwsza faza jest znacznie krótsza dla endomikoryzy (do trzech tygodni), druga przebiega podobnie dla wszystkich typów mikoryzy. Różnice morfologiczne powstają w trzeciej fazie. W zależności od typu mikoryzy grzyb rozwija się wróżnych częściachś korzenia i tworzy różne struktury.

11 Rozwój mikoryzy kiełkujący zarodnik Faza asymbiotyczna Spory kiełkują bez kontaktu z rośliną. Jeżeli zarodniki endomikoryzy nie znajdą rośliny-gospodarza do 3 tyg., to zamierają. Zarodniki ektomikoryzy żyją znacznie dłużej bez korzeni roślin. Wczesna faza symbiotyczna Po znalezieniu żywej i całej komórki korzenia, strzępka wytwarza przylgę (apressorium) i przytwierdza się do powierzchni korzenia. Wikipedia Faza symbiotyczna y W tej fazie grzyby zasiedlają korzeń. W zależności od typu mikoryzy, yy,grzyby y inaczej rozrastają sięę na zewnątrzą i wewnątrzą korzenia.

12 Rozwój mikoryzy Endomikoryza tworzona jest przez niewiele gatunków grzybów z wieloma rodzajami roślin. ś Grzyby te należą do Rzędu Glomales (Zygomycetes). Grzybnia widoczna tylko pod mikroskopem, po wybarwieniu. Autor: I.Sowik Ektomikoryza tworzona jest przez bardzo wiele rodzajów grzybów należących do Ascomycetes (workowce) i Basidiomycetes (podstawczaki), ze stosunkowo niewielką liczbą roślin. Grzybnia rozwija się głównie na zewnątrz korzenia stąd nazwa ekto ekto, tworząc w wielu przypadkach owocniki wyrastające nad powierzchnię gleby. Schemat; B.BorkowskaBorkowska Erikoidalna tworzona jest przez nieliczne rodzaje grzybów Hymenoscyphus ericae (w Europie), Scytalidium vaccinii (Ameryka Półn), także z Oidiodendron griseum, Myxotrichum setosum, Clavaria spp. Wyłącznie z roślinami należącymi do Ericaceae Wikipedia: D.Mdgdley

13 Inne typy mikoryzy erikoidalnej Arbutoidalna ograniczona do rodzajów Arbutus, Pyrola i Arctostophylus należących do Ericaceae. MacechyEMF:tworzonajestmufkaistruktura podobna do sieci i Hartiga. Roślina wytwarza liczne boczne korzenie. Rozwijając się wewnątrz komórek wykazuje cechy AMF i ERM. Monotropoidalna ograniczona jest do małej grupy roślin Monotropoidae, także należącej ż do Ericaceae. Ei Ten typ mikoryzy spełniał bardzo specyficzną rolę (podobną do mikoryzy storczykowej) dostarczając swojemu gospodarzowi związki węgla transportowane od innych roślin znajdujących się w pobliżu. Opisana będzie przy mikoryzie storczykowej

14 Mikoryza storczykowa STORCZYKI należą do myko-heterotrofów (MHP). We wszystkich dotychczas omówionych typach mikoryzy, rola roślinyś polegała na dostarczaniu C (cukrów) partnerowi grzybowemu. W myko-heterotrofii, to grzyb zaopatruje roślinę w związki organiczne, czerpiąc je od sąsiadujących roślin, z którymi jest najczęściej w symbiozie ektotroficznej. Naturalny kierunek transportu węglowodanów (nie tylko roślin mikoryzowych) jest z góry w dół (basipetalny). W przypadku mykoheterotrofii cukry transportowane są wgórę rośliny, z korzeni zasiedlonych przez grzyby innych roślin znajdujących się w danym środowisku. MHP uważany jest czasem za oszukańczą mikoryzę (mycorrhizal cheaters) ponieważ roślina korzysta z energii znajdującej się w ekosystemie, nic nie dając w zamian. Storczyki z naturalnego środowiska Polski. Po lewej: Dactylorhiza majalis (kukułka szerokolistna) częściowo heterotroficzny. Po prawej: Cephalanthera longifolia (buławik mieczolistny w pełni myko-heterotroficzny

15 Mikoryza storczykowa, cd. Pełne myco-heterotrofy to niektóre storczyki oraz niewielka grupa roślin Monotropaceae, należących do Ericaceae Częściowe myco-heterotrofy są to niektóre rodzaje z rodziny Gentianae, wiele storczyków i część mchów. Niektóre storczyki pozostają cudzożywne przez całe życie (obligatoryjna myko-heterotrofia), t inne wytwarzają aparat fotosyntetyczny, t t ale jego aktywność nigdy nie jest wystarczająca do zapewnienia całkowitej autotrofii (częściowa ę lub fakultatywna myko-heterotrofia). Monotropa hypopitis - heterotrof Gentiana clusii Gentiana punctata Zdjęcia: Wikipedia

16 Mikoryza storczykowa, cd. Storczyki są niezwykle cenną rośliną dekoracyjną. Rozmnażane z nasion były niepowtarzalnie różnorodne. Ze względu na trudności związane z kiełkowaniem nasion i dalszą uprawą, storczyki zaczęto rozmnażać metodą in vitro. Wprowadzenie mikrorozmnażania całkowicie zmieniło rolę mikoryzy. Grzyby już nie są potrzebne, aby dostarczać związków węgla od innych roślin, bo nie mają z nimi kontaktu. Mikoryza potrzebna jest jednak aby ułatwić roślinom aklimatyzację do warunków ex vitro, poza tym wspomaga korzenie w pobieraniu wody i związków pokarmowych. Storczyki rozmnażane z nasion są różnorodne Orchis simia Phalaenopsis Zdjęcia: Wikipedia

17 Mikoryza storczykowa, cd. Mikoryza storczykowa zaliczana jest do ektomikoryzy, chociaż morfologicznie ma cechy zarówno endo- jak i mikoryzy erikoidalnej Grzyby izolowane z dorosłych roślin należą głównie do Rhizoctonia spp. Grzybnia rozrasta się w komórkach kory korzenia formując zwoje(ang. coils) zwane pelotons. Nie tworzy mufki. Orchis mascula Ophrys-bombyliflora Orchis Zdjęcia: Wikipedia

18 Mikoryza anturium Zdjęcie: Wikipedia ANTURIUM jak i inne rośliny z Araceae (obrazkowate), w warunkach naturalnych są epifitami (nie mają bezpośredniego kontaktu z glebą), a ich system korzeniowy jest przystosowany do przymocowania rośliny na drzewie, a nie do penetrowania gleby. Sprawia to, że rośliny te mają specyficzne wymagania co do wody i sposobu żywienia. Korzystając ze związków organicznych rośliny-gospodarza mają ograniczoną aktywność fotosyntetyczną. Pochodząc z terenów o dużej wilgotności (np. lasy tropikalne), zostały przystosowane morfologicznie i fizjologicznie do korzystania z wody w atmosferze.

19 Mikoryza anturium, cd. Mimo, że epifity nie mają bezpośredniego kontaktu z glebą to znaleziono na ich korzeniach grzyby z rodzaju Glomus, które tworzą endomikoryzę: G. constrictum, G. etunicatum, G. microcarpum. ROŚLINY POKREWNE: Piperaceae (Peperomia sp. Piper sp., Pothomorphae umbellatum) i Bromeliaceae (Vriesea werkleana). Piper nigrum Zantedescia aetiopica Piper methysticum Zdjęcia: Wikipedia

20 Anturium - dlaczego mikoryzacja? Zdjęcie: Wikipedia Anturium ma ogromne znaczenie w produkcji ogrodniczej. Uprawa jest trudna i narażona na liczne niebezpieczeństwa, związane z wymaganiami i roślin epifitów. Ze względu na specyficzną budowę związaną z pochodzeniem (brak drobnych korzeni i przystosowanie liści do wysokiej wilgotności), oraz z racji rozmnażania, obecnie prawie wyłącznie w kulturach in vitro i uprawie bezglebowej, także podatność na liczne patogeny - wprowadzenie mikoryzacji jest jak najbardziej zasadne. Szczepionka dla anturium zawiera grzyby należące do rodzaju Glomus.

21 EFEKTY MIKORYZACJI -M +M -M +M +M -M

22 Grzyby mikoryzowe są zaangażowane w: Istotą symbiozy mikoryzowej jest wpływ na: odżywianie: udostępnianie i pobieranie fosforu (P), azotu (N), mikroelementów, oraz przemieszczanie asymilatów ochronęę przed stresami: abiotycznymi y susza, zasolenie, ph, temperatura biotycznymi patogeny glebowe, infekcje liści (najnowsze sugestie), nicienie procesy fizjologiczne fotosyntezę, gospodarkę wodną, wymianę gazową procesy biochemiczne - aktywność enzymatyczną poprawę struktury gleby

23 Efekty symbiozy y mikoryzowej W produkcji ogrodniczej liczy się głównie reakcja: morfologiczna wygląd ogólny roślin, rozgałęzienie, wielkość liści, kwitnienie, i i rozbudowa systemu korzeniowego podwyższona odporność na stresy głównie patogeny glebowe Szczególne znaczenie w produkcji ogrodniczej ma: mikoryzacja roślin rozmnażanychż metodą in vitro oraz uprawianych na podłożach bezglebowych

24 Efekty symbiozy mikoryzowej, cd. W ochronie środowiska najważniejsze jest: obniżenie chemizacji: niższe nawożenie i ograniczenie pestycydów możliwość ograniczenia zużycia wody przywracanie równowagi biologicznej

25 Reakcja morfologiczna, borówka wysoka Borówka wysoka Bluecrop, inokulowana Arctostaphylos uvaursi -M +M c m c Total shoot lenght of 15 plants mm m Area of 10 leaves 1 - Erica I 2 - Erivac V. myrtillus 4 - V. vitis idaea 5 - Arctostaphylos uva-ursi Kontr Kontr inoculum Kontr Kontr inoculum Borówka wysoka i wiele innych roślin, reaguje na dobrze dobraną szczepionkę silniejszym wzrostem pędów. Powierzchnia liści zmienia się w niewielkim stopniu lub nawet jest zmniejszona

26 Reakcja morfologiczna, w warunkach optymalnych (żurawina) Total shoot length of 10 plants 1800 Area of 10 leaves cm mm m KN2 Erica 1 Erivac 3 Vac inoculum my rt Vac mont ARC u- ursi KN2 Erica 1 Eriv ac inoculum 3 Vac myrt Vac mont ARC u- ursi Żurawina odm. Pilgrim reaguje inaczej niż borówka - wzrost pędów jest zahamowany, ale powierzchnia liści jest większa

27 Reakcja morfologiczna, w warunkach stresu (żurawina) Całkowita długość pędów z 15 roślin ph of Contr Fungi Fungi + Erica 1 Vacci substrate -M bacteria Mac 4,5 (standard) ,5 (with mineral wool) Mikoryzacja nie wpływała na długość pędów przy optymalnym ph substratu, natomiast w warunkach stresowych (wysokie ph) stymulowała wzrost korzeni. Ogólna reguła: Symbioza mikoryzowa jest aktywna tylko w warunkach stresowych.

28 Dlaczego symbioza mikoryzowa podwyższa odporność na stresy ochrona fizyczna: grzybnia pozostająca na zewnątrz korzeni utrudnia dotarcie organizmów szkodliwych do powierzchni korzeni. system korzeniowy jest rozbudowany dzięki czemu jego powierzchnia i i zasięg znacznie się zwiększają, umożliwiając pobieranie wody i minerałów niedostępnych dla roślin bez mikoryzy. korzenie mikoryzowe mają podwyższoną zdolność do tworzenia żelowego filmu (mucilage), który optymalizuje strefę mikoryzosfery.

29 Dlaczego symbioza mikoryzowa podwyższa odporność na stresy, cd szczególne znaczenie mają pęcherzyki endomikoryzy, które są magazynem zarówno wody jak i związków pokarmowych. W krytycznej sytuacji, roślina może wykorzystać te zapasy. Przy innych typach mikoryzy, sama grzybnia może być źródłem wody i związkówą mineralnych. ea ustabilizowana mikoryza uaktywnia aquapory (kanały wodne), które usprawniają gospodarkę wodną mikoryza wpływa także na ruchy aparatów szparkowych, regulując wymianę gazową (transpirację i asymilację CO 2 ).

30 Dlaczego symbioza mikoryzowa podwyższa odporność na stresy, cd. w badaniach ekologicznych stwierdzono, że równowaga rozwoju pomiędzy systemem korzeniowym i częścią zieloną ma zasadnicze znaczenie dla odporności roślin na stresy. Mikoryza poprawia i stabilizuje stosunek korzeni do części nadziemnej, pośrednio podwyższając tolerancję roślin na stresy. Zdjęcie: J. Maszkiewicz

31 SZCZEPIONKI (inokula)

32 Co to są ą szczepionki po Działalność człowieka i rozwój przemysłowy oraz postęp w rolnictwie naruszył, a czasem zniszczył naturalne stosunki w ekosystemach i agrosystemach. Zaistniała konieczność celowego wprowadzania mikroorganizmów do siedlisk naturalnych i uprawnych. Początkowo mikroorganizmy pożyteczne były wprowadzane przez dodawanie gleby ze stanowisk naturalnych. Ulepszoną ą formąą było wprowadzanie grzybów mikoryzowych do podłoża przygotowywanego dla roślin. Od niedawna na bazie grzybów i bakterii wspomagających, produkowane są szczepionki (inokula). Można już mówić o przemyśle mikoryzowym silnie rozwiniętym w krajach zachodnich, u nas dopiero powstającym. Oczywiście oferowane szczepionki mają różną wartość (bywa, że żadną).

33 Co to są ą szczepionki, cd. Rodzaj grzybów i ich pochodzenie: szczepionki nie powinny być uniwersalne, tzn. grzyby w niej obecne powinny mieć zdolność do formowania jednego z wymienionych wcześniej typów mikoryzy. Spotykane biopreparaty (bo to nie są szczepionki), w których jest wiele grzybów zarówno endo- jak ekto-mikoryzowych, a często i Trichoderma są o nieprzewidywalnym działaniu, jeżeli w ogóle zadziałają. Najlepsze (najskuteczniejsze) j szczepionki są tworzone dla konkretnych roślin czy grupy roślin i zawierają grzyby/bakterie, które łatwo (skutecznie) wchodzą wpołączenie symbiotyczne z roślinami na które zostały zastosowane. Idealnym jest, gdy grzyby pochodzą z tych samych ekosystemów co rośliny.

34 Szczepionki, cd. borowik Rosnące w podłożu strzępki szukające korzeni do zasiedlenia lub łączące rośliny sąsiadujące. Przy ektomikoryzie strzępki mogą rosnąć dłuższy czas bez korzeni z dębem zsosną wgórachześwierkiem Włośnianka rosista - Hebeloma crustiliniforma Lakówka pospolita - Laccaria laccata

35 Rośliny z naturalnych stanowisk źródła inokulum Vaccinium myrtillus V. vitis idaea Arctostaphylos uva-ursi Calluna vulgaris Ledum palustre Szczepionki tworzone dla Vaccinium, w firmie Mykoflor (W. Szałański)

36 Co to są szczepionki, cd. Formy szczepionek: szczepionki mogą być oparte na zarodnikach (sporach) lub żywychh strzępkach (propagule), atakże mieszane.inokulum zawierające propagule jest agresywne tzn. że bardzo szybko następuje zasiedlenie korzeni. Jeżeli w inokulum znajdują się zarodniki wtedy zasiedlanie zaczyna się dopiero po 3-4 tyg. Zasiedlenie nie jest równoznaczne z widoczną reakcją rośliny. Dopiero po zaistnieniu równowagi we wzrościeś i procesach fizjologiczno-biochemicznych pomiędzy partnerami symbiozy można się spodziewać oczekiwanych efektów. Szczepionki mogą byćć produkowane w formie suchej lub mokrej. Szczepionka sucha jest przygotowywana na bazie korzeni, jako nośnik może też być używana glinka, wermikulit i inne materiały. Jeżeli szczepionka nie jest granulowana, to łatwo pyli (suche korzenie i podłoże) i może być szkodliwa dla alergików. Szczepionka w formie żelowej jest bardziej kłopotliwa w przygotowaniu, ale jest bezpieczna. Jest to doskonała forma do mikoryzacji młodych roślin, przez zanurzenie systemu korzeniowego.

37 DZIĘKUJĘ - ŻYCZĘ POWODZENIA W MIKORYZACJI ROŚLIN Sadzenie roślin mikoryzowanych: to jest to! Grzyby saprofityczne są piękne Zdjęcia: J.Maszkiewicz