Symbiozy korzeniowe dr Joanna Kopcińska Katedra Botaniki Wydział Rolnictwa i Biologii, SGGW Symbiozy korzeniowe: Fabaceae - ryzobia A zdeformowany włośnik B nić infekcyjna Fot. J. Kopcińska C Ryzobia, wolno żyjące bakterie glebowe, wchodzą w symbiozę z korzeniami roślin motylkowatych. W wyniku tej symbiozy, na korzeniach gospodarza roślinnego powstają brodawki (fot. A, strzałki), w których zachodzi wiązanie azotu atmosferycznego. Symbioza możliwa jest między określonym gospodarzem roślinnym i określonym gatunkiem (szczepem) bakterii, dlatego pierwszym etapem tworzenia układu symbiotycznego jest proces rozpoznania. Polega on na wzajemnej wymianie i percepcji sygnałów chemicznych między rośliną a ryzobium. Rozpoznane bakterie kolonizują włośniki korzeniowe i indukują ich deformację. Ryzobia infekują roślinę poprzez ścianę komórkową zdeformowanego włośnika. W miejscu penetracji ściany włośnika przez bakterie roślina tworzy tubularną strukturę, tzw. nić infekcyjną, w której zamknięte są bakterie. Na zdjęciu C pokazany jest przekrój poprzeczny przez nić otacza ją ściana (czerwona strzałka) budowana przez roślinę i błona (zielona strzałka), pochodzącą z plazmolemy gospodarza.
Bakterie w nici (niebieskie strzałki) pogrążone są w matriks (żółta strzałka), na którą składają się substancje pochodzenia bakteryjnego i roślinnego. Równocześnie z infekcją włośnika, grupa komórek kory korzenia, wznawia podziały komórkowe i powstaje primordium brodawki. Nić infekcyjna rośnie, rozgałęzia się, wrasta do komórek rozwijającej się brodawki korzeniowej. Symbiozy korzeniowe: Fabaceae - ryzobia A B B Ryzobia uwalniane są z nici infekcyjnych do cytoplazmy komórek roślinnych na zasadzie endocytozy. Uwolnienie nie oznacza penetracji protoplastu; komórki bakteryjne, teraz nazywane bakteroidami, otoczone są membraną peribakteroidalną - błoną pochodzenia roślinnego (niebieskie strzałki). Bakteroidy otoczone membraną peribakteroidalną to symbiosomy w nich odbywa się wiązanie azotu cząsteczkowego. Komórki zainfekowane, czyli zawierające symbiosomy i niezainfekowane budują tkankę bakteroidalną. Fragment tej tkanki widoczny jest na fot. B, czerwonymi strzałkami pokazano symbiosomy w komórkach gospodarza.
Symbiozy korzeniowe: Fabaceae - ryzobia M SI KB M SI NE KB TB VB SD TB Rys. B. Łotocka Jak jest zbudowana dojrzała brodawka korzeniowa? Na wierzchołku brodawki znajduje się merystem (M) zbudowany z niezainfekowanych, dzielących się komórek. Pod merystem znajduje się strefa infekcji (SI), w której komórki pochodne merystemu są infekowane. Głębiej położona jest tkanka bakteroidalna (TB). Młodsza część tkanki bakteroidalnej, leżąca bezpośrednio pod strefą infekcji zawiera komórki, w których zachodzące zmiany cytologiczne prowadzą do różnicowania funkcjonalnej tkanki. W dojrzałej tkance zachodzi proces wiązania N 2. Głównym enzymem odpowiedzialnym za ten proces jest, wrażliwa na tlen, nitrogenaza. Zachowanie aktywności nitrogenazy możliwe jest tylko w warunkach obniżonego stężenia tlenu w tkance bakteroidalnej. Z drugiej strony proces wiązania azotu atmosferycznego wymaga dużego nakładu energii uzyskiwanej w procesie oddychania tlenowego. Jak rozwiązany został ten problem? Komórki tkanki bakteroidalnej zawierają leghemoglobinę hemoproteinę wiążącą tlen; dzięki działaniu leghemoglobiny w tkance bakteroidalnej utrzymuje się niski poziom tlenu i nie dochodzi inaktywacji nitrogenazy. W strefie starzenia (SD) następuje degradacja symbiosomów, a następnie komórek tkanki bakteroidalnej.
Kora brodawki (KB), otaczająca tkankę bakteroidalną, zbudowana jest głównie z komórek miękiszowych. Na terenie kory różnicuje się endoderma brodawki (NE), pozostająca w ścisłym związku z endodermą korzenia i wiązki przewodzące (VB). Sieć wiązek brodawki połączona jest z systemem przewodzącym korzenia. Brodawki cylindryczne z apikalnie położonym, trwałym merystemem i strefowością budowy (jak ta omówiona) to tzw. brodawki niezdeterminowane. Występują u roślin klimatu umiarkowanego np. u grochu, koniczyny, lucerny, żarnowca. Symbiozy korzeniowe: Fabaceae - ryzobia A TB B SD KB KB VB TB VB M Rys. B. Łotocka Objaśnienia: KB kora brodawki, M - merystem, SD strefa degradacji, TB tkanka bakteroidalna, VB wiązki przewodzące brodawki Rośliny strefy tropikalnej np. soja, wspięga wytwarzają brodawki zdeterminowane (rys. A), których merystem funkcjonuje tylko kilka dni, a tkanka bakteroidalna nie wykazuje strefowości budowy. Brodawki kołnierzykowate (rys.b) typowe dla łubinu, pod pewnymi względami podobne są do brodawek cylindrycznych, ale mają również cechy własne. Poza aktywnością merystemu i strefowością budowy, typy brodawek różnią innymi cechami anatomicznymi i fizjologicznymi. Dzięki symbiozie z ryzobiami rośliny z rodziny Fabaceae charakteryzują się wysoką zawartością białka zarówno w organach wegetatywnych, jak i w nasionach. Są
cennym źródłem białka w pokarmie człowieka i wartościową paszą dla zwierząt. Uprawia się je także w celu wzbogacenia gleby w związki azotowe. Symbiozy korzeniowe: aktynoryza A B M WS AS VB SD C Aktynoryza jest to symbioza wolnorosnącego, nitkowatego promieniowca Frankia z roślinami, polegająca na wytwarzaniu przez gospodarza aktynoryzowych brodawek korzeniowych, w których mikrosymbiont ma wytworzone warunki do wiązania azotu cząsteczkowego. Zakres gospodarzy Frankia jest bardzo szeroki. Rośliny gospodarze należą do 20 różnych rodzajów z ośmiu rodzin i siedmiu różnych rzędów. Aktynoryza występuje u około 280 gatunków roślin. Do najważniejszych należą rodzaje: olcha, oliwnik, rokitnik, dębik, woskownica, Allocasuarina, Casuarina. Brodawki aktynoryzowe (fot. A, na korzeniach olchy) są wieloletnie, ale żyją krócej niż roślina. Na przykład 20-letnie drzewo olchy czarnej miało brodawki aktynoryzowe około 3-4-letnie do 8-letnich. U olchy miejscem pierwotnej infekcji jest włośnik korzeniowy. Promieniowiec pobudza gospodarza do deformacji włośników. Endofit wchodzi do wnętrza rośliny poprzez ścianę zdeformowanego włośnika. Tylko jedna na kilka tysięcy infekcji prowadzi do powstania brodawki. Strzępki Frankia są otoczone błoną pochodzącą z błony komórkowej gospodarza. W podstawie komórki włośnikowej strzępka przekracza ścianę komórkową ryzodermy i wrasta do przylegających komórek kory
korzenia. Stadium to jest definiowane jako aktynoryza pierwotna, a morfologicznie przejawia się jako lokalne zgrubienie korzenia. Dalszy rozwój rozpoczyna się wraz z tworzeniem w perycyklu korzeni bocznych. Korzenie te ulegają infekcji i rozwijają się w brodawki aktynoryzowe (jest to tzw. wtórna aktynoryza). Po 2-3 tygodniach od infekcji widać je nieuzbrojonym okiem i w tym stadium rozpoczyna się wiązanie N 2. Wiązanie azotu zachodzi w pęcherzykach (fot. B), które powstają na zakończeniach strzępki i odcinane są od niej septą. Pęcherzyk otoczony jest błoną komórki gospodarza (strzałka czarna), otoczką polisacharydową (strzałka czerwona) i lipidową (strzałka niebieska). Ta ostatnia ogranicza dyfuzję tlenu do pęcherzyka stwarzając warunki do działania nitrogenazy. Utrzymanie niskiego stężenia tlenu w pęcherzyku jest niezbędne, ponieważ nitrogenaza jest inaktywowana przez tlen. Zdjęcie C pokazuje budowę anatomiczną brodawki aktynoryzowej olchy. Na szczycie brodawki znajduje się strefa merystematyczna (M), składająca się z niezainfekowanych komórek (odpowiada ona stożkowi wzrostu korzenia bocznego przekształconego w brodawkę). Kolejna strefa (WS) zawiera komórki wypełnione strzępkami symbiotycznymi (wczesna symbioza). Do niej przylegają strefy komórek (AS) zawierających aktywne (tj. wiążące N 2 ) pęcherzyki Frankia. Dalej następuje strefa starzenia się (SD). W centrum brodawki jest niezainfekowana strefa waskularna brodawki (VB), odpowiadająca walcowi osiowemu korzenia przekształconego w brodawkę.
Symbiozy korzeniowe: mikoryza ektotroficzna sieć Hartiga opilśń http://www.biology.ed.ac.uk/research/groups/jdeac on/microbes/ectoim.htm opilśń Szweykowska A., 2008 U około 85% roślin okrytonasiennych stwierdzono mikoryzę, czyli współżycie między korzeniami roślin a grzybami. Obaj partnerzy tego mutualistycznego związku czerpią korzyści: grzyb ma stały dostęp do węglowodanów powstających w roślinie na drodze fotosyntezy, rośliny natomiast mają lepszy dostęp do wody i rozpuszczonych w niej soli mineralnych, ale także do substancji regulujących ich wzrost i rozwój, które to substancje produkuje grzyb. Rośliny z mikoryzą są bardziej odporne na działanie patogenów glebowych. Ze względu na charakter kontaktu między strzępkami grzybni a komórkami korzenia wyróżnia się dwa typy mikoryzy: ektotroficzną i endotroficzną. W mikoryzie ektotroficznej (ektomikoryzie) strzępki grzyba oplatają korzenie tworząc mufkę (opilśń) i wnikają do przestworów międzykomórkowych kory. Sieć strzępek w korze korzenia to tzw. sieć Hartiga. Wzrost korzenia na długość zostaje zahamowany, zanikają włośniki, a funkcje chłonną przejmuje grzybnia. Ten typ mikoryzy występuje powszechnie wśród drzew strefy borealnej i alpejskiej i często wśród drzew strefy umiarkowanej.
Symbiozy korzeniowe: mikoryza endotroficzna Hejnowicz, 2002 Mikoryza endotroficzna (endomikoryza) charakteryzuje się tym, że strzępki grzyba wrastają do wnętrza żywych komórek korzenia. Wrastanie do komórek nie oznacza penetracji protoplastu. Strzępki powodują inwaginację błony komórkowej, która zachowuje ciągłość i oddziela protoplast od strzępek. Endomikoryza występuje u 75% gatunków okrytonasiennych we wszystkich strefach klimatycznych. Obecnie znanych jest kilka rodzajów mikoryz, w których strzępki wnikają do komórek roślinnego gospodarza. Najczęściej występuje mikoryza arbuskularna (50% roślin okrytonasiennych, nagonasienne poza Pinaceae) z udziałem grzybów z rzędu Glomales. Nazwa tego rodzaju mikoryzy pochodzi od drzewkowato rozgałęzionych struktur, arbuskul (podwójne strzałki), jakie tworzy grzyb w komórce gospodarza. Ektendomikoryza podobna jest do ektomikoryzy, ale strzępki oprócz opilśni i sieci Hartiga, wnikają także do wnętrza komórek. Pozostałe rodzaje endomikoryzy wykazują szereg właściwych sobie cech i związane są z określonymi rodzinami roślin okrytonasiennych, np. mikoryza erikoidalna typowa jest dla wrzosowatych, orchidalna dla storczyków.