MIKORYZA W ARCHITEKTURZE KRAJOBRAZU. Współczesne poglądy na znaczenie mikroorganizmów w. Prof. zw. dr hab. Lesław Badura

Transkrypt

1 Polskie Towarzystwo Mikoryzowe II KRAJOWA KONFERENCJA MIKORYZA W ARCHITEKTURZE KRAJOBRAZU Poznań Współczesne poglądy na znaczenie mikroorganizmów w życiu roślin Prof. zw. dr hab. Lesław Badura

2 Motto Vita, sine literis, mors est (Życie bez wiedzy jest śmiercią) Jedna z filozoficznych maksym `

3 Poruszane problemy stanowią próbę ogólniejszej dyskusji nad miejscem człowieka w ekosystemach, z jego działalnością cywilizacyjną związaną przede wszystkim z gospodarką przemysłową i rolniczo-leśną. Inicjowana dyskusja ma zasadnicze znaczenie, zwłaszcza obecnie, gdy stoimy z jednej strony przed wielkim wyzwaniem zagospodarowania setek, czy nawet tysięcy nieużytków porolnych i z drugiej nadmiernej eksploatacji dóbr ziemskich, w konsekwencji czego dochodzi do dewastacji, do zanieczyszczanie i środowiska d i k przyrodniczego. Omawiane zagadnienia mają nie tylko swój wymiar ekonomiczny, n ale przede wszystkim stkim biologiczny. Biolodzy, rolnicy, leśnicy i ogrodnicy muszą postawić sobie pytanie, jak ma się dziś gospodarować zgodnie z wymogami ekologicznymi, zrównoważonego rozwoju

4 Człowiek Nie jest bowiem jakimś wyizolo- wanym elementem czy gościem ś w środowisku, ale jest z nim harmonijnie związanym i musi współpracować z przyrodą

5 Harmonia ludzkiego bytowania biologicznego, społeczno gospodarczego jest warunkiem podstawowym i wyjściowym wszelkiego wartościowania jaskości życia na naszej planecie.

6 JAKIE CZYNNIKI, JAKIE DZIAŁANIA CZŁOWIEKA MAJĄ WPŁYW NA ŚRODOWISKO PRZYRODNICZE Wzrost emisji gazów szklarniowych, Kwaśne deszcze pojawiające się wszędzie, Nowe rodzaje zanieczyszczeń ń powstające przy usuwaniu odpadów przemysłowych y i komunalnych, Wyczerpywanie się paliw kopalnych, Wprowadzanie alternatywnych źródeł energii, Nadmierne stosowanie środków agrotechnicznych (nawozy mineralne, pestycydy) 6

7 Jakie jest, więc nasze środowisko? Czy wszystko w nim funkcjonuje zgodnie z naszymi oczekiwaniami, zgodnie ze stanem równowagi ekologicznej? 7

8 Aby odpowiedzieć na to pytanie musimy wiedzieć i rozumieć, czym jest to otaczające nas środowisko przyrodnicze, jak ono funkcjonuje, co warunkuje jego egzystencje? Czy otaczające nas, to przyrodnicze środowisko jest zlepkiem przypadkowych organizmów, zamieszkujące przypadkowe obszary, czy też tworzą je współwystępujące i współdecydujące, d zarówno abiogenne jak ki biogenne, elementy?

9 Musimy zadać sobie podstawowe pytanie czy roślina, która obok nas wyrasta, względnie, którą z takim wysiłkiem uprawiamy jest układem monogatunkowym, czy poligatunkowym? Innymi słowy czy te rośliny współistnieją samoistnie, czy też współżyją w symbiozie ie z innymi organizmami?

10 Odpowiedzi na postawione pytania nie są proste przyroda jest bowiem bardziej skomplikowana, a układy abiogenne oraz biogenne i ich współzależności i współoddziaływania są bardziej złożone, ł ż niż się to jeszcze, do nie dawna wydawało, i jak nawet powszechnie,,jeszcze wczoraj, uważano.

11 Dziś zaczynamy dopiero rozumieć, czym jest system ekologiczny? Że jest tto podstawowa jednostka funkcjonalna złożona z biotopu (środowiska abiotycznego) oraz biocenozy (zespołu organizmów żywych: bakterii, grzybów, mikroi mezofauny, roślin i zwierząt). W ekosystemach oddziaływanie biotopu na biocenozy i odwrotnie regulowane jest reakcjami sprzężeń zwrotnych warunkujących równowagę, homeostazę układu.

12 Jeszcze tak niedawno: w rolnictwie, ogrodnictwie i leśnictwie dominowały poglądy Justusa von Liebiga ( ), skądinąd wybitnego chemika i fizjologa roślin, że roślinom do życia niezbędne są tylko biopierwiastki takie jak: azot, fosfor, siarka, potas, wapń, magnez, żelazo, mikroelementy w tym przede wszystkim: cynk, mangan, miedź, molibden oraz woda, CO 2 i światło. Inicwięcej. To właśnie Justus von Liebog wprowadził po raz pierwszy nawozy mineralne np. NPK

13 Dziś obserwujemy skutki takiego zawę- żonego, zgodnego z poglądami J. Liebiga, widzenia świata, zwłaszcza w krajach zachodnich, w których doprowadzono do daleko idącej dewastacji, do pełnego zniszczenia gleby. Dopiero teraz mówimy o konieczności odnowy, prowadzenia ekologicznej gospodarki rolnej, ogrodniczej, czy leśnej. Zaczynamy dopiero dziś mówić o konieczności prowadzenia zrównoważonego ekologicznie rozwoju.

14 To właśnie w końcowym rezultacie tej bezmyślnej działalności człowieka - Homo sapiens powstają nieużytki, pustynie, które dopiero po wielu latach, odbudują się drogą naturalnej sukcesji

15 Także gleboznawcy do niedawna traktowali glebę, zgodnie z teorią ą J. von Liebiga, tylko jak miejsce, na którym rosną rośliny i która tylko dostarcza im wody i potrzebnych soli mineralnych makro- i mikroelementów

16 Królestwo zwierząt Królestwo roślin Królestwo grzybów Królestwo pierwotnia ków Królestwo bakterii Dziś już wiemy, że gleba jako element ekosystemu jest to: wielozależny i wielofunkcyjny kompleks środowiska przyrodniczego powstałego ł w wyniku działań abiotycznych i biotycznych ele- mentów w określonym czasie (wg S. Skiba 2002)

17 Działania, więc człowieka dla utrzymania życia na poziomie współczesnej cywilizacji wymagają od niego wiedzy o funkcjonowaniu ekosystemów i agrosystemów, wiedzy takiej, aby mógł w pełni kontrolować, przez odpowiedni monitoring wszystko co wchodzi (wprowadza) i wychodzi z ekosystemu. Bilans przepływu energii, biomasy, pierwiastków biogennych musi być w pełni zrównoważony. Ale, ani jeden z elementów wprowadzanych do ekosystemów nie może szkodzić (chemizacja) populacjom, ale przede wszystkim populacji mikroorganizmów funkcjonujących w danym ekosystemie.

18 Ajeżeli tak, to w układzie zrównoważonego rozwoju mikroorganizmy muszą odgrywać znaczącą rolę i to nie tylko jako, DESTRUENCI, rozkładający substancję organiczną i uwalniające pierwiastki biogenne, czy współtworzące związki próchniczne, z wszystkimi fizycznymi i chemicz- nymi uwarunkowaniami. Są one także niesłychanie ważne i to nie tylko jako te wiążące, ż tak potrzebny do życia i azot, ale przede wszystkim,,jako istotne niezbędne ę symbionty, jako organizmy współżyjące z roślinami.

19 Procesy asymilacyjne Wydzieliny mikroorganizmów Wydzieliny korzeniowe Ryzosfera Ściółka Mikroorganizmy rozkładające Sub. organiczną Składniki odżywcze Mikoryza Oto fragment gleby i współistniejących i współdecydujących elementów, określonego systemu ekologicznego

20 Do czego więc są potrzebne, w naturalnych warunkach, w eko-, czy w agrosystemach mikroorganizmy? Jaką pełnią one funkcję w życiu innych organizmów?

21 Pytanie więc, czy mikroorganizmy są niezbędne w życiu roślin, jest tak samo istotne, jak pytanie, czy współżyjące w symbiozie ze zwierzętami, wtymiz człowiekiem mikroorganizmy, są ą niezbędne ę dla ich życia. Odpowiedź na to pytanie nie jest prosta. Zależy bowiem od warunków w jakich hodujemy dane organizmy.

22 A więc ę w warunkach laboratoryjnych, y w hodowlach czystych, jałowych udawało się, przynajmniej przez jakiś okres czasu, utrzymywać mniej więcej zdrowe osobniki, zarówno zwierzęce jak i roślinne. Problem ten wygląda jednakże zupełnie inaczej, gdy hodujemy dane organizmy w warunkach naturalnych.

23 Musimy także zapytać, jakie mikroorganizmy występują w różnych ekosystemach i jakie są nieodzownie potrzebne dla normalnego, zdrowego rozwoju roślin, z którymi wchodzą w symbiozę. Na te pytanie niestety nie mamy do dziś jednoznacznych, pełnych odpowiedzi. A wynika to z dużego opóźnienia rozwoju tej gałęzi wiedzy.

24 Gwoli ścisłości należy yjednak przypomnieć, że od czasów S. Winogradzkiego ( ) poznaliśmy względnie dobrze procesy mikrobiologiczne związane: ą z rozkładem materii organicznej wyprodukowanej przez rośliny w trakcie fotosyntezy, degradacją niektórych ksenobiotyków, czy powstawaniem związków próchnicznych kwasów humusowych oraz obiegiem wielu pierwiastków, jak: węgla, azotu, fosforu, czy siarki, a także procesów związanych z samym wiązaniem azotu.

25 Jd Jednak nadal dlmamy małą, ł nie wystarczającą jeszcze wiedzę ę o organizmach glebowych tworzących złożone układy z roślinnymi, jak na przykład różnego typu symbiozy: ryzosferowe czy mikoryzowe. Choć w prawdzie, od czasów pierwszego opisu ryzosfery przez A. Hiltera i mikoryzy przez Franciszka D. Kamińskiego w drugiej połowie XIX wieku i wielu opublikowanych prac, to nadal nie mamy pełnej wiedzy, o jakich mikroorganizmach mówimy i o roli tych organizmów w życiu rośliny.

26 W glebie żyją najrozmaitsze organizmy. Poza korzeniami roślin, występują w niej bakterie, glony, pierwotniaki oraz grzyby, a także robaki, owady i wiele innych zwierząt.

27 Występujące w glebach biotyczne komponenty Prabacterie (Archebacteriae) Bakterie właściwe (Eubacteriae) Gram dodatnie Tlenowce Gram ujemne Beztlenowce Promieniowce Bakterie śluzowe (Myxobacteriae) Bakterie krętki (Spirochaetae) Sinice (Cyjanophyta, Cyjanobacteriae) Śluzowce (Myxomycetes) y y Grzyby (Mycota, Fungi) Micromycetes (głównie Zygomycetes, Ascomycetes, Deuteromycetes) Macromycetes (głównie Basidiomycetes) Glony (Algae) Pierwotniaki i (Protozoa) Nicienie (Nematoda) Dżdżownice (Lumbricidae) Pajęczaki (Arachnidae)

28 Wyłaniają się tu także trzy problemy: A/ pierwszy - jakie i w jakich ilościach występuje w glebach mikroflora oraz mikrofauna B/ drugi - jak one zasiedlają to środowisko glebowe C/ trzeci - które z nich i na jakich zasadach zasiedlają idlj korzenie roślin.

29 W przyrodzie występują określone współzależności między wszystkimi współwystępującymi y elementami abiogen- nymi i biogennymi danego ekosystemu, warunkujące obieg energii i materii Wyróżniany tu grupy: producentów, konsumentów I rzędu (roślinożerne) i II rzędu (mięsożerne) oraz destruentów

30 Na szczególne, więc ę podkreślenie zasługuje ten fakt, iż w środowisku naturalnym, właśnie w zależności od zasobów substancji odżywczej, tej organicznej oraz jej dostępności, różnicują się grupy organizmów: organizmów eutroficznych korzystających z łatwo dostępnej materii organicznej organizmów oligotroficznych korzystających z trudno dostępnych związków odżywczych Obie więc grupy różnicują się dzięki sposobowi odżywiania substancją organiczną, a przede wszystkim łatwością jej rozkładu, jej dostępnością oraz szybkości namnażania ż

31 Inaczej więc zasiedlają gleby bakterie: oligotroficzne i eutroficzne, różniące się szybkością wzrostu (typu r i K strategów) i wymaganiami odżywczymi

32

33 Zasiedlanie struktur glebowych zależy, nade wszystko od: 1/ Zasobności w substancje organiczne, odżywcze łatwo dostępne (cukry, białka, tłuszcze), w mniejszym stopniu od trudno dostępnych (lignin, związków próchnicznych, czy pochodnych fenolowych) 2/ Obecności w glebach przeróżnych związków o właściwościach allelopatycznych wydzielanych y zarówno przez korzenie roślin jak i same organizmy glebowe

34 Allelopatia oddziaływanie organizmów na siebie Organizm donorowy dawca Organizmy akceptorowe biorcy Stymulacja rozwoju Rozwoju Inhibicja

35

36 Mikroorganizmy mają nadto zdolność do wymiany w obrębie swojej własnej populacji sygnałów tzw. autoinduktorów, które wywołują ł jednolitą ą reakcję całej danej wspólnoty i umożli- wiają uzyskiwanie korzyści nieosiągalnych dla pojedynczych komórek, czy osobników. Innymi słowy każda komórka danej bakterii, prawie natychmiast, dowiaduje się o krytycznej sytuacji i może reagować aktywacją lub represją funkcji określonych genów. To pozwala im to na przetrwanie, jako całości niekorzystnych zmian i adaptacji do zaistniałego środowiska.

37 Ale, jak można przypuszczać, te sygnały y - autoinduktory mogą działać nie tylko w obrębie własnej kolonii, własnej populacji. Ale mogą działać wobrębie całej biocenozy glebowej zamieszkującej dany obszar. I może, zasięg sygnałów tych jest znacznie nie większy, niż by to wynikało, z naszej wiedzy, naszego nie doceniania, a, jeszcze e dzisiaj zjawiska.

38 Właśnie taką wymianę informacji rozmowę pomiędzy bakteriami, a roślinami obserwujemy na przykład, u niektórych roślin wchodzących w symbiozę ę z bakteriami wiążącymi ąąy wolny azot.

39 WIĄZANIE WOLNEGO AZOTU PRZEZ BAKTERIE WSPÓŁŻYJĄCE Z ROŚLINAMI

40 Podobny zresztą system quorum sensing (dl (zdolność do skoordynowanych hdziałań) ł występuje u bakterii współżyjących ze zwierzętami, na przykład świecącymi w nocy

41 Jeżeli przyjmie się taki uogólniony pogląd, taki punkt widzenia całej glebowej, a może nie tylko, lecz całej biocenozy, to wyłania się pytanie, jak należy badać możliwości porozumiewania o asię ę tych mikroorganizmów w środowisku, zgodnie z system quorum sensing (dl (zdolność do skoordynowanych działań) tych oddzielnych kolonii, czy całych różnych populacji występującej w danym środowisku.

42 Poruszony problem ma bardzo ważne, nie tylko teoretyczne, t ale także i praktyczne, utylitarne znaczenie. Organizmy glebowe biorą bowiem udział nie tylko w rozkładzie materii organicznej jprzyczyniając y się, między ę innymi do obiegu pierwiastków: węgla, azotu, siarki i tym podobnych, lecz także do tworzenia określonych symbioz: ryzosferowych, czy mikoryzowych.

43 Czym jest więc ryzosfera? Jest to prawdopodobnie układ wzajemnej j pomocy pomiędzy daną rośliną, a określonymi mikroorganizmami. Organizmami nie tylko zróżnicowanymi pod względem gatunkowym, lecz, amoże nade wszystko, przystosowanymi genetycznie do danych warunków środowiska, do danej rośliny, danej symbiozy?

44 RYZOSFERA BAKTERIE PRZYKORZENIOWE Border cells - komórki graniczne

45

46 Przykładowo, jedna tylko bakteria Pseudomonas fluorescens może wydzielać tyle wtórnych metabolitów

47 Znaczenie zespołów mikroorganizmów w stabilizacji podsystemu glebowego Mikroorganizmy grupują się w określonych ekologicznych niszach podsystemu glebowego, głównie jednak kształtowanych przez system korzeniowy i określanych przez mikrobiologów jako: ryzosfera Takie ekologiczne nisze tworzą się w wyniku wzajemnych oddziaływań między korzeniami roślin, w wyniku ich specyficznych wydzielin charakterystycznych dla danej rośliny, a mikroorganizmami tworzącymi ą określone zespoły, które wytwarzają z kolei różne związki o biologicznym znaczeniu, są to specyficzne mikroorganizmalne zespoły ryzosferowe RSMC - Rhiziophere Specyfic Microbial Community. W wyniku tych oddziaływań wykształca się biologiczny system kontrolny BSM - Biological System Menagememts, który prowadzi do stabilizacji podsystemu glebowego i utrzymywania zdrowotności roślin.

48 Innym systemem warunkującym zdrowotność, a nawet możliwość przetrwania danej roślinie jest wchodzenie w symbiotyczny układ z grzybami tworząc przeróżne formy mikoryzy. Jak ważna jest tego typu symbioza, rośliny z grzybami, świadczyć może, choćby tylko ten jeden przykład - modrzewia (Larix), który jeżeli nie ma odpowiedniego d i symbionta grzybowego to ginie.

49

50 Fylloosfera i organizmu epifityczne Mikroorganizmy i zasiedlają nie tylko korzenie roślin, lecz w zależności od gatunku danej rośliny i ich zdolności przystosowawczych także, organa asymilacyjne i mówimy wtedy o fyllosferze. Natomiast organizmy występujące na nadziemnych element roślin określane są, jako mikroflora epifityczna. Takie liście zasiedlone mikroorganizmami przystosowanymi do życia w tym środowisku, są z kolei oporne na ataki przeróżnych patoge- nów. Ta oporność uwarunkowana jest specyficznymi y wydzielinami,,jak również brakiem wolnego miejsca do zasiedlenia.

51 Dzisiaj, w świetle tych rozważań, nie ulega więc już żadnej wątpliwości, że wydawaliśmy spore pieniądze, na daremne próby zagospodarowywania nieużytków, czy usypisk odpadów po przemysłowych, przez nie zabezpieczanie odpowiedniego, dla danych roślin podłoża glebowego oraz, co może ważniejsze, niezbędnych dla rozwoju danych roślin mikroorganizmów bakteryjnych, y grzybowych y czy także mezoflory i mikro- i mezofauny i przystosowanych genetycznie do określonych warunków.

52 Jeżeli chcemy dziś, wpełni zrozumieć, jak funkcjonuje otaczający nas przyrodniczy świat biosfera, to musimy mieć, więc wiedzę nie tylko o zjawiskach zachodzących w skali makro o populacjach roślinnych i zwierzęcych, ale także o populacjach mikroorganizmów i ich roli, a także o molekularnych uwarunkowaniach. Musimy mieć możliwie pełną wiedzę na ten temat, zwłaszcza dziś, gdy stoimy przed koniecznością ą biologicznej odbudowy, względnie ę rekultywacji terenów zniszczonych przez naszą cywilizacyjną diałalność działalność.

53 Nie wystarcza już, bowiem zagospodaro- wywanie przypadkowych nieużytków sadzonkami niewiadomego pochodzenia, jak to do dotychczas jeszcze się robi i cierpliwe oczekiwanie, kiedy one padną, jak to niejednokrotnie ma miejsce jeszcze dzisiaj, względnie czekanie, aż sama przyroda odbuduje to, co myśmy zniszczyli.

54 Aby jednak mikroorganizmy mogły w środowisku glebowym nie tylko egzystować, lecz tworzyć z roślinami określone symbiozy, y, to muszą ą mięć zapewnione odpowiednie warunki bytu, a zwłaszcza ł te szybko rosnące, eutroficzne i przez to wymagające pełnego dopływu substratów odżywczych, substancji organicznej, nawozów organicznych. A przecież, nie ulega dziś, najmniejszej wątpliwości, że o zdrowotności roślin decydują właśnie one, te niewidzialne i nie pełni doceniane organizmy.

55 Ale także dzisiaj musi się też mówić o finansowych, ekonomicznych problemach szeroko rozumianej ochrony i odbudowy środowiska, zgodnego z prawami przyrody

56 Dik Dziękuję za uwagę