Arbuskulární mykorhiza - Arbuscular mycorrhiza

Korové buňky lnu obsahující párové arbuskuly
Vezikulární arbuskulární mykorhizy

Arbuskulární mykorhiza (AM) (množný mycorrhizae , aka endomycorrhiza ) je typ mykorhizy ve kterém symbiont houba ( AM houby , nebo AMF) proniká do kortikálních buněk jednotlivých kořenů jednoho cévnatých rostlin tvořící arbuscules . (Nesmí být zaměňována s ectomycorrhiza nebo ericoid mycorrhiza .)

Arbuskulární mykorhizy se vyznačují tvorbou unikátních struktur, arbuskul a vezikul hub houbami kmene Glomeromycota . Houby AM pomáhají rostlinám zachytit z půdy živiny, jako je fosfor , síra , dusík a mikroživiny . Předpokládá se, že vývoj arbuskulární mykorhizní symbiózy hrál klíčovou roli při počáteční kolonizaci půdy rostlinami a při vývoji cévnatých rostlin. Bylo řečeno, že je rychlejší uvést rostliny, které netvoří endomycorrhizae, než ty, které tvoří. Tato symbióza je vysoce rozvinutý vzájemný vztah nacházející se mezi houbami a rostlinami, nejrozšířenější známá symbióza rostlin, a AMF se nachází v 80% rodin cévnatých rostlin, které dnes existují.

Pokroky ve výzkumu mykorhizní fyziologie a ekologie od 70. let 20. století vedly k lepšímu pochopení více rolí AMF v ekosystému. Příkladem je důležitý příspěvek lepidlového proteinu glomalin ke struktuře půdy (viz níže). Toto poznání platí lidským úsilím o řízení ekosystémů , ekosystémů restaurování a zemědělství .

Evoluce mykorhizní symbiózy

Pozitivní efekty kolonizace arbuskulárním mykorhizem (AM)
Hyf síť arbuskulárních mykorhizních hub (AMF) zasahuje mimo zónu vyčerpání (šedá), přístup k větší plochu půdy pro příjem fosfátu. Kolem AM hyf (purpurová) se také nakonec vytvoří zóna deplece mykorhizo-fosfátu. Mezi další živiny, které mají zvýšenou asimilaci v kořenech AM, patří dusík (amonium) a zinek. Mezi výhody kolonizace patří tolerance k mnoha abiotickým a biotickým stresům prostřednictvím indukce systémové získané rezistence .

Paleobiologie

Oba paleobiological a molekulární důkazy naznačují, že AM je starobylá symbióza, která vznikla před nejméně 460 milionů let. AM symbióza je mezi suchozemskými rostlinami všudypřítomná, což naznačuje, že mykorhizy byly přítomny u raných předchůdců existujících suchozemských rostlin. Tato pozitivní asociace s rostlinami mohla usnadnit rozvoj suchozemských rostlin.

Rhynie chert spodního devonu přineslo fosilie prvních suchozemských rostlin, které byly pozorovány AM houby. Zkamenělé rostliny obsahující mykorhizní houby byly konzervovány na oxidu křemičitém.

Early devonu došlo k rozvoji pozemních flóry. Bylo zjištěno, že rostliny rhynie rohovce ze spodního devonu (před 400 lety) obsahovaly struktury připomínající váčky a výtrusy současných druhů Glomus . Kolonizované fosilní kořeny byly pozorovány u Aglaophyton major a Rhynia , což jsou starodávné rostliny mající vlastnosti cévnatých rostlin a mechorostů s primitivními protostelickými oddenky .

V kořenových intracelulárních prostorech bylo pozorováno intraradické mycelium a v buňkách tenké stěny byly podobné arbuskuly podobné palisádovému parenchymu . Fosilní arbuskuly vypadají velmi podobně jako u stávajících AMF. Buňky obsahující arbuskuly mají zesílené stěny, které jsou také pozorovány v existujících kolonizovaných buňkách.

Mykorhizy z miocénu vykazují vezikulární morfologii velmi podobnou současné Glomerales . Tato konzervovaná morfologie může odrážet snadnou dostupnost živin poskytovaných rostlinnými hostiteli v moderních i miocénních vzájemnostech. Lze však tvrdit, že účinnost signalizačních procesů se pravděpodobně vyvinula od miocénu, a to nelze ve fosilních záznamech zjistit. Jemné doladění signalizačních procesů by zlepšilo koordinaci a výměnu živin mezi symbionty a současně zvýšilo kondici houby i rostlinných symbiontů.

Povaha vztahu mezi rostlinami a předky arbuskulárních mykorhizních hub je sporná. Dvě hypotézy jsou:

  • Mykorhizní symbióza se vyvinula z parazitické interakce, která se vyvinula ve vzájemně prospěšný vztah.
  • Mykorhizní houby se vyvinuly ze saprobních hub, které se staly endosymbiotickými.

V Rhynie Chert byly nalezeny jak saprotrofy, tak biotrofy, ale existuje jen málo důkazů na podporu obou hypotéz.

Existují určité fosilní důkazy, které naznačují, že parazitické houby nezabily hostitelské buňky bezprostředně po invazi, přestože v hostitelských buňkách byla pozorována reakce na invazi. Tato reakce se mohla vyvinout do chemických signalizačních procesů nezbytných pro symbiózu.

V obou případech se předpokládá, že interakce symbiotických rostlin a hub se vyvinula ze vztahu, ve kterém houby přijímaly živiny z rostliny do symbiotického vztahu, kde si rostlina a houby vyměňují živiny.

Molekulární důkazy

Zvýšený zájem o mykorhizní symbiózu a rozvoj sofistikovaných molekulárních technik vedl k rychlému rozvoji genetických důkazů. Wang a kol. (2010) zkoumali rostlinné geny zapojené do komunikace s houbovými partnery řádu Glomales (DMI1, DMI3, IPD3). Tyto tři geny lze sekvenovat ze všech hlavních kladů moderních suchozemských rostlin, včetně játrovek , nejzákladnější skupiny, a fylogeneze těchto tří genů se ukázala být v souladu s tehdejšími fylogeniemi suchozemských rostlin. To znamená, že mykorhizní geny musely být přítomny u společného předka suchozemských rostlin a že musely být vertikálně zděděny, protože rostliny kolonizovaly půdu.

AM houby a sinice symbióza?

Bylo zjištěno, že houby AM mají jádrový enzym bakteriálního typu (ribonukleáza III) mechanismu zpracování sRNA, pravděpodobně související se symbiózou, výsledkem horizontálního přenosu genu od předka sinic. Tento nález genetické fosilie uvnitř AM hub vyvolává hypotézu o intimním vztahu mezi AM houbami a předky sinic. Současně byla dříve hlášena symbióza Geosiphon-Nostoc.

Evoluce cirkadiánních hodin u AM hub?

Překvapivě, navzdory jejich dlouhodobému vývoji jako podzemního partnera kořene rostliny, jehož prostředí je daleko od kolísání světla nebo teploty, AMF stále zachovává cirkadiánní hodiny s aktivací fungálního cirkadiánního oscilátoru ( frq ) modrým světlem, podobně jako v případě modelové cirkadiánní houby Neurospora crassa . Prokázaná konzervace cirkadiánních hodin a výstupních genů v R. irregulare otevírá dveře ke studiu cirkadiánních hodin u houbového partnera AM symbiózy. Vyznačující AMF FRQ genu stejný výzkum je první FRQ gen identifikován outgroup z Dikarya, které naznačují, že FRQ gen vývoj v houbové království je mnohem starší než dříve zkoumány.

Fyziologie

Presymbióza

Vývoj AM hub před kolonizací kořenů, známý jako presymbióza, se skládá ze tří fází: klíčení spor, růst hyfů, rozpoznávání hostitele a tvorba appressoria .

Klíčení spor

Časosběrná série o živém sporu Gigaspora margarita . Jádra byla vizualizována jako velké zelené skvrny fluorescenčním barvivem SytoGreen, zatímco mitochondrie byly obarveny MitoTrackerem a jsou zobrazeny jako malé červené skvrny. Film byl pořízen v 1 snímku každých 5 minut po dobu celkem 90 minut a zobrazován rychlostí 5 snímků za sekundu.

Spóry AM hub jsou silnostěnné vícejaderné klidové struktury. Klíčení spór nezávisí na rostlině, protože spory byly klíčeny za experimentálních podmínek v nepřítomnosti rostlin jak in vitro, tak v půdě. Rychlost klíčení však může být zvýšena exsudáty kořenů hostitele . AM spóry hub klíčí za vhodných podmínek půdní matrice, teploty, koncentrace oxidu uhličitého, pH a koncentrace fosforu.

Hyphal růst

Růst AM hyf v půdě je řízen exsudáty kořenů hostitele známými jako strigolaktony a koncentrací fosforu v půdě. Nízké koncentrace fosforu v půdě zvyšují růst a větvení hyfů a také vyvolávají rostlinnou exsudaci sloučenin, které kontrolují intenzitu větvení hyfů.

Rozvětvení AM houbových hyf pěstovaných v 1 mM fosforečném médiu je významně sníženo, ale délka zárodečné trubice a celkový růst hyfalu nebyly ovlivněny. Koncentrace 10 mM fosforu inhibovala růst hyfálu i větvení. Tato koncentrace fosforu se vyskytuje v přirozených půdních podmínkách a mohla by tak přispět ke snížení mykorhizní kolonizace.

Poznání hostitele

Bylo prokázáno, že kořenové exsudáty z hostitelských rostlin AMF pěstovaných v kapalném médiu s fosforem a bez něj ovlivňují růst hyfů. Spóry Gigaspora margarita byly pěstovány v exsudátech hostitelských rostlin. Hyfy houby pěstované v exsudátech z kořenů hladovějících po fosforu rostly více a vytvářely terciární větve ve srovnání s těmi, které rostly v exsudátech z rostlin s dostatečným fosforem. Když byly kořenové exsudáty podporující růst přidány v nízké koncentraci, houby AM vytvářely rozptýlené dlouhé větve. Jak se koncentrace exsudátů zvyšovala, houby vytvářely těsněji seskupené větve. U arbuskulů s nejvyšší koncentrací se vytvořily struktury AMF výměny fosforu.

Předpokládá se, že tato chemotaxická houbová reakce na exsudáty hostitelských rostlin zvyšuje účinnost kolonizace kořenů hostitele v půdách s nízkým obsahem fosforu. Je to adaptace pro houby na efektivní průzkum půdy při hledání vhodného rostlinného hostitele.

Další důkaz, že arbuskulární mykorhizní houby vykazují chemotaxi specifickou pro hostitele , která umožňuje růst hyfů směrem ke kořenům potenciální hostitelské rostliny: Spory Glomus mosseae byly odděleny od kořenů hostitelské rostliny, nehostitelských rostlin a mrtvé hostitelské rostliny membránou propustnou jen do hyf. Při ošetřování hostitelskou rostlinou houby prošly membránou a vždy se objevily do 800 µm od kořene, ale ne při ošetření rostlinami, které nejsou hostiteli, a mrtvými rostlinami.

K pochopení signálních cest mezi arbuskulárními mykorhizami a kořeny rostlin byly použity molekulární techniky. V roce 2003 bylo ukázáno, jak AM prochází fyziologickými změnami v přítomnosti exsudátů z potenciálních kořenů hostitelské rostliny, aby ji kolonizoval. Exsudáty kořenů hostitelské rostliny spouštějí a zapínají AM houbové geny potřebné pro dýchání spórových sloučenin uhlíku. V experimentech se rychlost transkripce 10 genů zvýšila půl hodiny po expozici a ještě větší rychlostí po 1 hodině. po 4 hodinách expozice AM reaguje morfologickým růstem. Geny izolované z té doby se podílejí na mitochondriální aktivitě a produkci enzymů. Rychlost dýchání houbami, měřená rychlostí spotřeby O 2 , se zvýšila o 30% 3 hodiny po expozici kořenovým exsudátům, což naznačuje, že kořenové exsudáty hostitelské rostliny stimulují mitochondriální aktivitu spor AMF. Může být součástí fungálního regulačního mechanismu, který zachovává energii spor pro efektivní růst a rozvětvení hyfů po přijetí signálů z potenciální hostitelské rostliny.

Appressorium

Když arbuskulární mykorhizní houbové hyfy narazí na kořen hostitelské rostliny, vytvoří se na kořenové epidermis appressorium nebo „infekční struktura“. Z této struktury mohou hyfy proniknout do kůry parenchymu hostitele . AM nepotřebují žádné chemické signály z rostliny k vytvoření appressoria. Houby AM by mohly tvořit appressoria na buněčných stěnách „duchových“ buněk, ze kterých byl odstraněn protoplast, aby se eliminovala signalizace mezi houbami a rostlinným hostitelem. Hyfy však dále nepronikly do buněk a nerostly směrem ke kořenové kůře, což naznačuje, že pro další růst je nutná signalizace mezi symbionty, jakmile se vytvoří appressoria.

Symbióza

Jakmile je houba uvnitř parenchymu, vytváří vysoce rozvětvené struktury pro výměnu živin s rostlinou zvanou arbuskules . Toto jsou charakteristické struktury arbuskulární mykorhizní houby. Arbuscules jsou místa výměny za fosfor, uhlík, vodu a další živiny. Existují dvě formy: Pařížský typ je charakterizován růstem hyf z jedné buňky do druhé; a typ Arum je charakterizován růstem hyf v prostoru mezi rostlinnými buňkami. Volba mezi typem Paris a typem Arum je primárně určena hostitelskou rostlinnou rodinou, i když některé čeledi nebo druhy jsou schopné jakéhokoli druhu.

Hostitelská rostlina má kontrolu nad mezibuněčnou proliferací hyfů a tvorbou arbuscule. Dochází k dekondenzaci chromatinu rostliny , což naznačuje zvýšenou transkripci DNA rostliny v buňkách obsahujících arbuscule. V hostitelské buňce rostliny jsou nutné velké úpravy pro uložení arbuskulů. Tyto vakuoly zmenšovat a další buněčné organely množí. Cytoskelet rostlinných buněk je reorganizován kolem arbuskul.

Existují dva další typy hyf, které pocházejí z kořene kolonizované hostitelské rostliny. Jakmile kolonizace nastane, krátkodobé běžecké hyfy rostou z kořene rostliny do půdy. Jedná se o hyfy, které přijímají fosfor a mikroživiny, které jsou rostlině poskytovány. AM houbové hyfy mají vysoký poměr povrchu k objemu, díky čemuž je jejich absorpční schopnost větší než u kořenů rostlin. Hyfy AMF jsou také jemnější než kořeny a mohou proniknout do pórů půdy, které jsou pro kořeny nepřístupné. Čtvrtý typ hyf AMF roste z kořenů a kolonizuje další kořeny hostitelské rostliny. Čtyři typy hyf jsou morfologicky odlišné.

Příjem a výměna živin

Houby AM jsou obligátní symbionti . Mají omezené saprobní schopnosti a svou výživou uhlíkem závisí na rostlině. Houby AM přijímají produkty fotosyntézy rostlinného hostitele jako hexózy .

K přenosu uhlíku z rostliny na houby může dojít prostřednictvím arbuskulů nebo intraradických hyf. Sekundární syntéza z hexóz pomocí AM probíhá v intraradickém myceliu . Uvnitř mycelia je hexóza přeměněna na trehalózu a glykogen . Trehalóza a glykogen jsou formy pro ukládání uhlíku, které lze rychle syntetizovat a degradovat a mohou tlumit intracelulární koncentrace cukru. Intraradická hexóza vstupuje do oxidační pentózofosfátové dráhy , která produkuje pentózu pro nukleové kyseliny.

K biosyntéze lipidů dochází také v intraradickém myceliu. Lipidy jsou poté uloženy nebo exportovány do extraradických hyf, kde mohou být uloženy nebo metabolizovány. K rozpadu lipidů na hexózy, známému jako glukoneogeneze , dochází v extraradickém myceliu. Přibližně 25% uhlíku translokovaného z rostliny do hub je uloženo v extraradických hyfách. Až 20% uhlíku hostitelské rostliny lze přenést na houby AM. To představuje značnou investici hostitelské rostliny do uhlíku v mykorhizní síti a příspěvek do podzemního fondu organického uhlíku.

Zvýšení dodávky uhlíku rostlinám do AM hub zvyšuje příjem a přenos fosforu z hub do rostlin Podobně se sníží příjem a přenos fosforu, když se sníží fotosyntát dodávaný do hub. Druhy AMF se liší ve svých schopnostech dodávat rostlině fosfor. V některých případech jsou arbuskulární mykorhizy chudí symbionti, kteří poskytují málo fosforu a přitom přijímají relativně velké množství uhlíku.

Hlavní přínos mykorhiz pro rostliny byl přičítán zvýšenému příjmu živin, zejména fosforu. To může být způsobeno zvýšenou povrchovou plochou v kontaktu s půdou, zvýšeným pohybem živin do mykorhizy, upraveným kořenovým prostředím a zvýšeným skladováním. Mykorhizy mohou být při přijímání fosforu mnohem účinnější než kořeny rostlin. Fosfor cestuje ke kořenu nebo difúzí a hyfy snižují vzdálenost potřebnou pro difúzi, čímž se zvyšuje příjem. Rychlost toku fosforu do mykorhizy může být až šestkrát vyšší než u kořenových chloupků. V některých případech může roli příjmu fosforu zcela převzít mykorhizní síť a veškerý fosfor rostliny může mít hyfální původ. Méně je známo o roli výživy dusíkem v arbuskulárním mykorhizním systému a jejím dopadu na symbiózu a komunitu. Přestože bylo při objasňování mechanismů této složité interakce dosaženo značných pokroků, zbývá ještě mnoho zkoumat.

Mykorhizní aktivita zvyšuje koncentraci fosforu dostupnou v rhizosféře . Mycorrhizae snižují pH kořenové zóny selektivním příjmem NH 4 + ( amonné ionty ) a uvolňováním iontů H + . Snížené pH půdy zvyšuje rozpustnost sraženin fosforu. Absorpce hyfalu NH 4 + také zvyšuje průtok dusíku do rostliny, protože vnitřní povrchy půdy absorbují amoniak a distribuují jej difúzí.

Ekologie

Biogeografie

Arbuskulární mykorhizní houby jsou nejčastější v rostlinách rostoucích na minerálních půdách a mají mimořádný význam pro rostliny rostoucí v substrátech s nedostatkem živin, například v prostředí sopečné půdy a písečných dun . Populace AM hub je největší v rostlinných společenstvech s vysokou rozmanitostí, jako jsou tropické deštné pralesy a mírné pastviny, kde mají mnoho potenciálních hostitelských rostlin a mohou využít své schopnosti kolonizovat široké spektrum hostitelů. Ve velmi suchých nebo na živiny bohatých půdách je nižší výskyt mykorhizní kolonizace. Na vodních stanovištích byly pozorovány mykorhizy ; podmáčené půdy však u některých druhů snižují kolonizaci. Arbuskulární mykorhizní houby se nacházejí v 80% druhů rostlin a byly zkoumány na všech kontinentech kromě Antarktidy. Biogeografie glomeromycoty je ovlivněna omezením šíření, environmentálními faktory, jako je klima, půdní řady a pH půdy, půdní živiny a rostlinná komunita. Zatímco důkazy z roku 2000 naznačují, že houby AM nejsou specialisty na jejich hostitelské druhy, studie z roku 2002 naznačily, že alespoň některé taxony hub jsou hostitelskými specialisty.

Reakce na rostlinná společenství

Specifičnost, rozsah hostitele a stupeň kolonizace mykorhizních hub je obtížné v terénu analyzovat kvůli složitosti interakcí mezi houbami v kořeni a v systému. Neexistuje žádný jasný důkaz, který by naznačoval, že arbuskulární mykorhizní houby vykazují specificitu pro kolonizaci potenciálních druhů hostitelských rostlin AM, stejně jako pro jejich hostitelské patogeny houby . To může být způsobeno opačným selektivním tlakem.

V patogenních vztazích má hostitelská rostlina prospěch z mutací, které zabraňují kolonizaci, zatímco ve vzájemném symbiotickém vztahu rostlina těží z mutací, které umožňují kolonizaci pomocí AMF. Rostlinné druhy se však liší rozsahem a závislostí na kolonizaci určitými houbami AM a některé rostliny mohou být fakultativními mykotrofy , zatímco jiné mohou být obligátními mykotrofy. V poslední době je mykorhizní stav spojen s distribucí rostlin, přičemž obligátní mykorhizní rostliny zaujímají teplejší a sušší stanoviště, zatímco fakultativní mykorhizní rostliny zaujímají větší rozsah stanovišť.

Schopnost stejných AM hub kolonizovat mnoho druhů rostlin má ekologické důsledky. Rostliny různých druhů mohou být spojeny pod zemí se společnou myceliální sítí. Jedna rostlina může poskytnout uhlík fotosyntátu pro vytvoření myceliální sítě, kterou může jiná rostlina jiného druhu využít pro příjem minerálů. To znamená, že arbuskulární mykorhizy jsou schopny vyvažovat podzemní vnitrodruhové a mezidruhové interakce rostlin.

Vzhledem k tomu, že houby Glomeromycota žijí uvnitř kořenů rostlin, mohou být podstatně ovlivněny jejich rostlinným hostitelem a na oplátku ovlivňují také rostlinná společenstva. Rostliny mohou alokovat až 30% svého fotosyntátového uhlíku na AM houby a na oplátku mohou AM houby získat až 80% rostlinného fosforu a dusíku. Rozmanitost AM houbových společenstev byla pozitivně spojena s rozmanitostí rostlin, produktivitou rostlin a býložravostí. Arbuskulární mykorhizní houby mohou být ovlivněny interakcemi malého rozsahu s místním rostlinným společenstvím. Například sousedství rostlin kolem ohniskové rostliny může změnit společenstva AM hub, stejně jako pořadí zakládání rostlin v lokalitách.

AM houby a invaze rostlin

Během invazí rostlinných druhů lze houbové společenství AM a biomasu drasticky změnit. Ve většině případů AM houbová biomasa a diverzita klesá s invazemi. Některé mykotrofické druhy rostlin však ve skutečnosti mohou během invaze zvýšit diverzitu hub AM.

Mykorhizní stav invazivních druhů rostlin se mezi regiony často liší. Například ve Velké Británii a střední Evropě jsou v poslední době invazivní rostliny častěji mykorhizní, než se očekávalo, zatímco invazní rostliny v Kalifornii byly méně často mykorhizní, než se očekávalo.

Interakce mezi houbami AM a jinými rostlinnými symbionty

Všichni symbionti v rostlinném hostiteli na sebe vzájemně působí, často nepředvídatelným způsobem. Metaanalýza z roku 2010 ukázala, že rostliny kolonizované jak houbami AM, tak vertikálně přenášenými endofyty jsou často větší než rostliny nezávisle kolonizované těmito symbionty. Tento vztah je však závislý na kontextu, protože houby AM mohou interagovat synergicky s endofyty hub obývajícími listy jejich hostitelské rostliny, nebo antagonisticky. Podobný rozsah interakcí může nastat mezi houbami AM a ektomykorhizními houbami a endofyty tmavých septátů .

Reakce na gradienty prostředí

Arbuskulární mykorhizní houby se liší v mnoha gradientech prostředí . Je známo, že jejich tolerance vůči mrazu a sušení se mění mezi taxony AM hub. Plísně AM se stávají méně převládajícími a rozmanitějšími při vyšších koncentracích živin a vlhkosti v půdě, pravděpodobně proto, že obě rostliny alokují houbám AM méně uhlíku a houby AM v těchto podmínkách prostředí přerozdělují své zdroje na intraradické hyfy. V dlouhodobém horizontu mohou tyto podmínky prostředí dokonce vytvářet místní adaptaci mezi hostiteli rostlin, houbami AM a koncentracemi živin v místní půdě. Složení AM se často stává méně různorodým na vrcholcích hor než v nižších polohách, což je dáno složením rostlinných druhů.

Bylo prokázáno, že houby AM zlepšují toleranci rostlin vůči abiotickým faktorům prostředí, jako je slanost . Zmírňují stres ze soli a prospívají růstu a produktivitě rostlin.

Ekologie rhizosféry

Rhizosphere je půda zóna v bezprostřední blízkosti kořenového systému.

Arbuskulární mykorhizní symbióza ovlivňuje komunitu a diverzitu dalších organismů v půdě. To lze přímo zjistit uvolňováním exsudátů nebo nepřímo změnou druhu a množství rostlinného exsudátu.

Bylo prokázáno, že diverzita mykorrhizae zvyšuje rozmanitost druhů rostlin, protože se zvyšuje potenciální počet asociací. Dominantní arbuskulární mykorhizní houby mohou zabránit invazi nemykorhizních rostlin na pevninu, kde mají zavedenou symbiózu, a propagovat svého mykorhizního hostitele.

Nedávný výzkum ukázal, že houby AM uvolňují neidentifikovaný difúzní faktor, známý jako myc faktor , který aktivuje indukovatelný gen MtEnod11 nodulačního faktoru . Toto je stejný gen účastnící se při stanovení symbiózu s fixaci dusíku , rhizobial bakterie (Košuta et al., 2003). Když jsou v půdě přítomny bakterie rhizobium, zvyšuje se mykorhizní kolonizace v důsledku zvýšení koncentrace chemických signálů podílejících se na vzniku symbiózy (Xie et al. 2003). Molekuly podobné Nod faktorům byly izolovány z AM hub a bylo ukázáno, že indukují MtEnod11, tvorbu bočních kořenů a posilují mykorhizaci. Účinná mykorhizní kolonizace může také zvýšit uzliny a symbiotickou fixaci dusíku v mykorhizních luštěninách.

Rozsah arbuskulární mykorhizní kolonizace a druhů ovlivňuje bakteriální populaci v rhizosféře. Bakteriální druhy se liší ve své schopnosti soutěžit o kořenové exsudáty z uhlíkových sloučenin. Změna v množství nebo složení kořenových exsudátů a houbových exsudátů v důsledku stávající AM mykorhizní kolonizace určuje rozmanitost a početnost bakteriálního společenství v rhizosféře.

Vliv AM hub na růst kořenů a výhonků rostlin může mít také nepřímý účinek na bakterie rhizosféry. AMF přispívá podstatným množstvím uhlíku do rhizosféry růstem a degenerací hyfální sítě. Existují také důkazy, které naznačují, že houby AM mohou hrát důležitou roli při zprostředkování specifického účinku rostlinného druhu na bakteriální složení rhizosféry.

Glomeromycota a globální změna klimatu

Globální změna klimatu ovlivňuje houbová společenství AM a interakce mezi AM houbami a jejich rostlinnými hostiteli. Přestože se obecně uznává, že interakce mezi organismy ovlivní jejich reakci na globální změnu klimatu, stále nám chybí schopnost předvídat výsledek těchto interakcí v budoucím podnebí. V nedávných metaanalýzách bylo zjištěno, že houby AM zvyšují rostlinnou biomasu v podmínkách sucha a snižují rostlinnou biomasu podle simulovaných studií depozice dusíku. Ukázalo se, že samotné arbuskulární mykorhizní houby zvyšují svoji biomasu v reakci na zvýšené atmosférické CO2

Rostliny postrádající arbuskulární mykorhizy

Členové rodiny hořčic ( Brassicaceae ), jako je zelí, květák, řepka a crambe , nevytvářejí na svých kořenech arbuskulární mykorhizní houby.

Molekulárně genetické analýzy arbuskulárních mykorhizních hub

V posledních deseti letech došlo k velkému pokroku v molekulárně genetických technologiích a nástrojích. Tyto pokroky umožňují mikrobiálním a mykorhizním ekologům pokládat nové a vzrušující otázky o ekologických a evolučních rolích arbuskulárních mykorhizních (AM) hub jako jedinců v komunitách a ekosystémech. Genetické analýzy AM hub byly použity k prozkoumání genetické struktury jednotlivých spor pomocí multilokusového genotypování, AM fungální diverzity a adaptace napříč více společenstvími travních porostů, až do globálního zkoumání AM fungální diverzity, což výrazně zvýšilo popsanou molekulární diverzitu v kmeni Glomeromycota.

Všechny nedávné pokroky v molekulární genetice jasně umožňují analýzu mikrobiálních komunit v mnohem jemnějších a funkčních měřítcích a potenciálně s větší jistotou než předchozí metody. Klasická metoda AM identifikace hub extrakcí spor z půdy a další morfologická analýza spor je spojena s komplikovanými problémy v důsledku různých strategií a forem AM hub, např. Nedostatek sporulace u určitých druhů, sezónnost, vysoká nekultivovatelnost, možná chybná identifikace (lidská chyba) a nové důkazy o vícejadrových sporách a vysoké genetické variabilitě u klonálních druhů AM. Kvůli těmto různým problémům vědci v minulosti pravděpodobně zkreslili skutečné složení AM fungálních společenstev přítomných v kterémkoli časovém okamžiku nebo místě. Navíc dodržováním tradičních metod extrakce, kultivace a mikroskopické identifikace neexistuje způsob, jak určit aktivní/fungující populace AM hub, které jsou pravděpodobně nejdůležitější při pokusu o propojení symbiotických interakcí a mechanismů rostlin-AM s ekologickými nebo ekosystémovými funkcemi. To platí zejména v případě analýz kolonizace kořenů, které mohou určit procento kořenů kolonizovaných houbami AM. Hlavní problém této analýzy je v polních půdách, které obsahují více druhů AM hub ve spojení s cílovou rostlinou současně (viz Ekologie AM). Identifikace asociovaných symbiontů hub není možná bez použití molekulárních metod. Přestože genetická analýza AM houbových společenstev v uplynulém desetiletí pokročila, metodika ještě není zcela upřesněna. Níže je uveden přehled metod používaných v molekulárně genetických analýzách AM hub spolu s aplikacemi pro výzkum, budoucími směry a některými jejich problémy.

Přehled metod

DNA/RNA

Genetické analýzy AM hub ze vzorků půdy a kořenů se pohybují v jejich použitelnosti k zodpovězení ekologických nebo fylogenetických otázek. Analýzy DNA využívají k popisu AM hub různé nukleární markery a představují různé oblasti nukleárního ribozomálního operonu ( 18S rRNA ), které se nacházejí ve všech eukaryotických organismech. Analýza DNA AM hub pomocí těchto markerů začala na počátku 90. let minulého století a pokračuje se ve vývoji i dnes. Gen rRNA malé podjednotky (SSU), gen interního transkribovaného spaceru ( ITS ) a gen rRNA velké podjednotky (LSU) jsou v současné době nejběžnějšími používanými markery DNA. Oblast SSU se nejčastěji používá v ekologických studiích, zatímco oblasti ITS a LSU se používají převážně v taxonomických konstrukcích kmene Glomeromycota.

qPCR a qRT-PCR

PCR v reálném čase nebo kvantitativní PCR (qPCR) se stává dobře zavedenou metodou pro rychlou amplifikaci a současně kvantifikaci cílené AM houbové DNA z biologických vzorků (kořeny rostlin nebo půdy). Poměrně nedávný vývoj markerů qPCR umožňuje výzkumným pracovníkům prozkoumat relativní počet druhů AM hub v kořenech ve skleníkových experimentech i v terénu za účelem identifikace místních AM fungálních společenstev.

qPCR markery pro arbuskulární mykorhizní houby se budou skládat z AM specifických primerů a fluorescenčně značených hydrolýzních sond. Tyto AM specifické primery (diskutované výše) mohou být vybrány výzkumným pracovníkem a toto rozhodnutí se obvykle řídí otázkou, kterou máte k dispozici, dostupnými zdroji a ochotou řešit problémy v laboratoři.

Microarray

Analýza mikročipů DNA se v současné době používá v AM fungálním výzkumu k současnému měření exprese mnoha genů z cílových druhů nebo experimentálních vzorků. Nejběžnějším nástrojem nebo metodou je použití technologie funkčních genových polí (FGA), specializovaného mikročipu, který obsahuje sondy pro geny, které jsou funkčně důležité v mikrobiálních procesech, jako je cyklování uhlíku, dusíku nebo fosforu. FGA mají schopnost současně zkoumat mnoho funkčních genů. Tato technika se obvykle používá pro obecnou analýzu funkčních mikrobiálních genů, ale když je doplněna genetickým sekvenováním, lze vyvodit závěry o spojení mezi složením fungálního společenství a mikrobiální funkčností.

PLFA /NLFA

K detekci biomasy kryptičtějších organismů, jako jsou houby AM nebo půdní bakterie, lze použít specifické organizační chemické podpisy. Lipidy, konkrétněji fosfolipidy a neutrální lipidy, obsahují mastné kyseliny spojené s glycerolovou páteří. Složení mastných kyselin v organismech se mění a podíly konkrétních mastných kyselin mohou být specifické pro organismus. Například u hub AM tvoří podíl mastných kyselin 16: 1ω5 a 18: 1ω7 ve fosfolipidové části přibližně 58% celkového složení mastných kyselin. Mastná kyselina 16: 1ω5 je nejčastěji používanou kyselinou pro charakterizaci AM hub v půdách a může být použita jako silný indikátor myceliální biomasy ve vzorku půdy.

Na analýzu AM hub neutrálních lipidových mastných kyselin se obvykle pohlíží jako na způsob indikace skladování energie, ale co je nejdůležitější, poměr NLFA (16: 1ω5) k PLFA (16: 1ω5) lze potenciálně použít k indikaci nutričního stavu AM houby v půdách. Energie se ukládá hlavně v houbách AM jako neutrální lipidy v akumulačních strukturách, jako jsou spóry a váčky. Z tohoto důvodu NLFA docela dobře koreluje s počtem spór v daném objemu půdy. Poměr koncentrace NLFA k koncentraci PLFA (aktivní mycelia) pak může dávat podíl uhlíku přiděleného skladovacím strukturám (spory, měřeno jako NLFA).

Problémy s analýzami lipidových mastných kyselin zahrnují neúplnou specifičnost mastných kyselin na houby AM, druhově nebo rodově specifické variace ve složení mastných kyselin mohou komplikovat analýzu v systémech s více druhy hub AM (např. Polní půda), vysoké pozadí určitá koncentrace mastných kyselin v půdách a že fosfolipidy korelují s oblastí membrány organismu a poměr povrchu k objemu se může mezi organismy, jako jsou bakterie a houby, značně lišit. Je třeba udělat více práce pro identifikaci účinnosti této metody v polních půdách s mnoha rody a druhy AM hub, aby se zjistila schopnost metod rozlišovat mezi mnoha různými kompozicemi mastných kyselin.

Budoucí směry výzkumu s houbami AM

Vzrušující vyhlídkou na budoucí analýzu AM hub je použití stabilních izotopových sond. Stabilní izotopové sondování ( SIP ) je technika, kterou lze použít ke stanovení aktivní metabolické funkce jednotlivých taxonů v rámci komplexního systému mikrobů. Této úrovně specifičnosti, spojující mikrobiální funkce a fylogenetiku, nebylo v mikrobiální ekologii dosud dosaženo. Tuto metodu lze také použít nezávisle na klasických kultivačních metodách v mikrobiální ekologii, což umožňuje analýzu funkčních mikrobů in situ . V poslední době byla také vyvinuta aplikace sekvenování jednotlivých jader ze spor AM hub a také obchází potřebu kultivačních metod.

Stabilní izotopové snímání (SIP)

SIP, konkrétněji SIP na bázi DNA/RNA, používá substráty obohacené o stabilní izotopy, jako je 13 C, 15 N nebo H 2 18 O, a poté analyzuje „značené“ markery pomocí druhově specifických markerů DNA nebo RNA. Analýza značené DNA se provádí separací neznačené a značené DNA na gradientu chloridu česného vytvořeného v ultra centrifugě. Protože všechny mikrobiální organismy jsou schopné dovážet vodu do svých buněk, je použití stabilní izotopové sondy H 2 18 O velmi vzrušující novou metodou, která může osvětlit otázky mikrobiálních ekologů a biologů, s nimiž se roky potýkají s odpovědí, zejména na to, co jsou aktivní mikrobiální organismy v mém systému? Metoda H 2 18 O neboli těžká voda se zaměří na všechny organismy, které aktivně rostou, a bude mít malý vliv na samotný růst. To by platilo zejména pro většinu skleníkových experimentů s arbuskulárními mykorhizami, protože rostliny musí být stejně zalévány a voda přímo nevybírá organismy se specifickými metabolickými cestami, jak by se to stalo při použití 13 C a 15 N.

V arbuskulárních mykorhizních experimentech se s touto metodou udělalo málo, ale pokud se prokáže, že funguje v kontrolovaném experimentu, a s dalším zdokonalením technik analýz houbové komunity DNA/RNA, může to být schůdná možnost pro velmi konkrétní stanovení aktivně rostoucí části AM houby napříč vegetačním obdobím, s různými rostlinnými hostiteli nebo ošetřením, a tváří v tvář klimatickým změnám.

sRNA a mechanismus zpracování sRNA k pochopení AM symbiózy

Bylo hlášeno, že sRNA hrají klíčovou roli při přeslechu mezi hostitelem a symbiontem. Mechanismus zpracování sRNA je tedy důležitý pro pochopení AM symbiózy. Zdá se, že houby AM mají své jedinečné vlastnosti, že mají jádrový enzym bakteriálního typu a také velký počet proteinů Argonaute ve svém systému zpracování sRNA (nebo systému RNAi). Výzkum mechanismu zpracování sRNA a sRNA je také vzrušujícím tématem pro pochopení symbiózy hub AM.

Fytoremediace

Po narušení původních rostlinných společenstev v oblastech ohrožených dezertifikací často následuje degradace fyzikálních a biologických vlastností půdy, struktury půdy, dostupnosti živin a organické hmoty. Při obnově narušené půdy je nezbytné nahradit nejen výše uvedenou přízemní vegetaci, ale také biologické a fyzikální vlastnosti půdy.

Relativně novým přístupem k obnově půdy je očkování půdy houbami AM při reintrodukci vegetace v projektech ekologické obnovy (fytoremediace). Hostitelským rostlinám to umožnilo usadit se na degradované půdě a zlepšit kvalitu a zdraví půdy. Parametry kvality půdy se dlouhodobě výrazně zlepšily, když byla zavedena směs původních druhů arbuskulárních mykorhizních hub ve srovnání s neinokulovanou půdou a půdou naočkovanou jediným exotickým druhem AM hub. Přínosem byl zvýšený růst rostlin, zvýšený příjem fosforu a obsah dusíku v půdě, vyšší obsah organické hmoty v půdě a agregace půdy, což je dáno vyšší nodulací luštěnin za přítomnosti AM hub, lepší infiltrací vody a provzdušněním půdy díky agregaci půdy. Nativní kmeny AM hub podporují extrakci těžkých kovů ze znečištěných půd a činí půdu zdravou a vhodnou pro rostlinnou výrobu.

Zemědělství

Dopady AMF a prospěšných bakterií
na výkonnost rostlin a úrodnost půdy
Vlevo: vizuální znázornění životního cyklu AMF a faktory ovlivňující různá vývojová stadia AMF.
Vpravo: bakterie mykorhizního pomocníka (MH) a růstu rostlin (PGP) synergicky interagující s AMF.

Mnoho moderních agronomických postupů narušuje mykorhizní symbiózu. Zemědělství s nízkými vstupy má velký potenciál spravovat systém způsobem, který podporuje mykorhizní symbiózu.

Konvenční zemědělské postupy, jako je zpracování půdy , těžká hnojiva a fungicidy , špatné střídání plodin a výběr rostlin, které tyto podmínky přežijí, brání schopnosti rostlin vytvářet symbiózu s arbuskulárními mykorhizními houbami.

Většina zemědělských plodin může dosahovat lepších výsledků a je produktivnější, pokud je dobře kolonizována houbami AM. AM symbióza zvyšuje příjem fosforu a mikroživin a růst jejich rostlinného hostitele (George et al. 1992).

Hospodaření s houbami AM je zvláště důležité pro systémy organického zemědělství a zemědělství s nízkým vstupem, kde je fosfor v půdě obecně nízký, ačkoli všechny agroekosystémy mohou mít prospěch z podpory zakládání arbuskulárních mykorrhiz.

Některé plodiny, které špatně hledají živiny v půdě, jsou velmi závislé na příjmu fosforu houbami AM. Například len , který má špatnou chemotaxickou schopnost, je vysoce závislý na příjmu fosforu zprostředkovaného AM při nízkých a středních koncentracích fosforu v půdě (Thingstrup et al. 1998).

Správné řízení AMF v agroekosystémech může zlepšit kvalitu půdy a produktivitu půdy. Zemědělské postupy, jako je omezené zpracování půdy, nízké využití fosforových hnojiv a perennializované systémy pěstování plodin, podporují funkční mykorhizní symbiózu.

Zpracování půdy

Obdělávání půdy snižuje inokulační potenciál půdy a účinnost mykorhizy narušením extraradické hyfální sítě (Miller et al. 1995, McGonigle & Miller 1999, Mozafar et al. 2000).

Rozbitím makrostruktury půdy se hyfová síť stane neinfekční (Miller et al. 1995, McGonigle & Miller 1999). Narušení hyfální sítě snižuje absorpční schopnosti mycorrhizae, protože povrchová plocha překlenutá hyfami je značně snížena. To zase snižuje vstup fosforu do rostlin, které jsou připojeny k hyfální síti (obrázek 3, McGonigle & Miller 1999).

V systému s omezeným zpracováním půdy nemusí být ve srovnání se systémy s těžkým zpracováním půdy vyžadován přísun těžkých fosforečných hnojiv. Je to způsobeno nárůstem mykorhizní sítě, která umožňuje mykorhizám poskytnout rostlině dostatek fosforu (Miller et al. 1995).

Fosforové hnojivo

Výhody AMF jsou největší v systémech, kde jsou vstupy nízké. Silné používání fosforečných hnojiv může inhibovat mykorhizní kolonizaci a růst.

Jak se zvyšuje hladina fosforu v půdě, která je rostlinám k dispozici, zvyšuje se také množství fosforu v rostlinných tkáních a odtok uhlíku do rostliny symbiózou plísní AM se stává pro rostlinu neprospěšným (Grant 2005).

Snížení kolonizace mykorhizou v důsledku vysokých hladin fosforu v půdě může vést k rostlinným nedostatkům v jiných mikroživinách, které mají příjem zprostředkovaný mykorhizou, jako je měď (Timmer & Leyden 1980).

Perennialized ořezové systémy

Krycí plodiny se pěstují na podzim, v zimě a na jaře a pokrývají půdu v ​​obdobích, kdy by běžně zůstala bez pokrývky rostoucích rostlin.

Mykorhizní krycí plodiny lze použít ke zlepšení potenciálu mykorhizního inokula a hyfální sítě (Kabir a Koide 2000, Boswell et al. 1998, Sorensen et al. 2005).

Vzhledem k tomu, že houby AM jsou biotrofické, jsou pro růst svých hyfálních sítí závislé na rostlinách. Pěstování krycí plodiny prodlužuje dobu růstu AM na podzim, zimu a jaro. Podpora růstu hyfů vytváří rozsáhlejší síť hyf. Zvýšení kolonizace mykorhizou zjištěné v systémech krycích plodin lze do značné míry přičíst zvýšení extraradické hyfální sítě, která může kolonizovat kořeny nové plodiny (Boswell et al. 1998). Extaradická mycelia jsou schopna přežít zimu a poskytují rychlou jarní kolonizaci a symbiózu rané sezóny (McGonigle a Miller 1999). Tato raná symbióza umožňuje rostlinám napojit se na dobře zavedenou síť hyfů a během raného růstu jim být poskytnuta přiměřená výživa fosforem, což výrazně zlepšuje výnos plodin.

Kvalita půdy

Obnova původních AM hub zvyšuje úspěch projektu ekologické obnovy a rychlost obnovy půdy. Houby AM zvyšují stabilitu agregátu půdy díky produkci extraradických hyf a půdního proteinu známého jako glomalin .

Půdní proteiny související s glomalinem (GRSP) byly identifikovány pomocí monoklonální protilátky (Mab32B11) vytvořené proti rozdrceným sporám AMF. Je definována podmínkami extrakce a reakcí s protilátkou Mab32B11.

Existují další nepřímé důkazy, které ukazují, že glomalin je AM houbového původu. Když jsou houby AM odstraněny z půdy inkubací půdy bez hostitelských rostlin, koncentrace GRSP klesá. Podobný pokles GRSP byl také pozorován v inkubovaných půdách ze zalesněné, zalesněné a zemědělské půdy a travních porostů ošetřených fungicidem.

Předpokládá se, že Glomalin zlepší stabilitu vody v agregátu půdy a sníží erozi půdy . Byla nalezena silná korelace mezi stabilitou vody GRSP a půdním kamenivem v celé řadě půd, kde je hlavním pojivem organický materiál, ačkoli mechanismus není znám. Protein glomalin nebyl dosud izolován a popsán a souvislost mezi glomalinem, GRSP a arbuskulárními mykorhizními houbami není dosud jasná.

Viz také

Reference

Poznámky

externí odkazy