Jakim językiem mówisz? Wyprawa w fascynujący świat podziemnej komunikacji

Rycina 1: Interakcje między roślinami a mikrobami w ryzosferze. Na rysunku widzisz trzy typy oddziaływań: (A) oddziaływania między rośliną a mikrobem żyjącym na powierzchni korzenia lub w jego pobliżu z użyciem związków rozpuszczalnych; (B) oddziaływania między rośliną a mikrobem żyjącym daleko od korzenia z użyciem związków lotnych; i (C) oddziaływania z mikrobami żyjącymi we wnętrzu korzenia, w bezpośrednim kontakcie z komórkami korzenia. Te wszystkie oddziaływania moją miejsce w glebie, która jest złożona z kamieni, kanałów powietrznych i materii organicznej.

Rycina 2: Skutki odziaływań między roślinami a Rhizobium na strukturę korzenia. (A) Zwykły korzeń na początku chemicznej komunikacji. Najpierw roślina produkuje izoflawonoidy (1), później Rhizobium odpowiada poprzez produkcję czynników Nod (2). (B) Rhizobium przemieszcza się w stronę korzenia i przyczepia do włośnika (malutkiego korzonka) który później zmienia swój kształt, żeby przytulić bakterię tak, aby mogła ona wejść do wnętrza korzenia. (C) Formowanie się brodawki korzeniowej, w której wnętrzu bakterie rosną oraz gdzie cukry są wymieniane na azot.

Rycina 3: Najważniejsze czynniki biotyczne i abiotyczne oddziałujące na siebie w środowisku naturalnym. Wszystkie mają znaczący wpływ na wzrost roślin i mogą wpływać na chemiczną komunikację pomiędzy roślina a mikrobami w glebie.

Hinweis für die Medien: Die von iDiv bereitgestellten Bilder dürfen ausschließlich für die Berichterstattung im Zusammenhang mit dieser Medienmitteilung und unter Angabe des/der Urhebers/in verwendet werden.

Open PDF in new window.

Cristiana Ariotti ¹, Elena Giuliano ¹, Paolina Garbeva ² and Gianpiero Vigani ^1,2*

¹ Plant Physiology Unit, Department of Life Sciences and Systems Biology, University of Turin, Turin, Italy
² Department of Microbial Ecology, Netherlands Institute of Ecology (NIOO-KNAW), Wageningen, Netherlands

Jak porozumiesz się ze swoimi sąsiadami będąc mikrobem żyjącym w glebie? Mówiąc po polsku, angielsku, francusku czy włosku niewiele zdziałasz. Możesz jednak jako słów użyć związków chemicznych! Mikroby żyjące w glebie (np. bakterie lub grzyby) porozumiewają się między sobą oraz z innymi organizmami, takimi jak zwierzęta i rośliny, z wykorzystaniem różnorakich związków chemicznych, używanych jako chemiczne „słowa”. Gleba, gdzie żyją mikroby pełna jest przestrzeni (kanałów) wypełnionych powietrzem, a lotne związki chemiczne służące do komunikacji są w stanie z łatwością przebywać te kanały niejednokrotnie osiągając bardzo długie dystanse. Do komunikacji na krótki dystans przydają się związki rozpuszczalne w wodzie. Organizmy odbierające te chemiczne komunikaty mogą reagować na różne sposoby, na przykład szybciej rosnąć albo w odpowiedzi produkować inne związki chemiczne. W tym artykule wybierzemy się w ekscytującą podróż w tajemniczy świat podziemnej komunikacji chemicznej i roli jaką gra ona we wzajemnych oddziaływaniach między mikrobami a roślinami. 

ŻYCIE W GLEBIE

Gleba jest jednym z najbardziej fascynujących i złożonych ekosystemów na świecie. To nie tylko zewnętrzna warstwa naszej planety, w której rosną rośliny, ale także spektakularny i ukryty przed nami świat tętniący życiem. Sama gleba składa się z różnych nieregularnych fragmentów kamieni, małych przestrzeni wypełnionych powietrzem i materii organicznej (szczątków obumarłych roślin i zwierząt). Take środowisko jest wręcz wymarzonym miejscem do życia dla mikrobów, owadów i roślin. Czy możesz uwierzyć, jak pełna życia jest gleba? W zależności od jej właściwości (rozmiar kamieni, typ dostępnego pożywienia, zawartość wody itd.), w glebie możemy spotkać różnorakie formy życia. Tworzą one swoiste społeczności, czyli niepowtarzalne zestawy różnych organizmów żyjących wspólnie w glebie.          

Czy wiesz czym są mikroby glebowe? Są one mikroskopijnymi organizmami żyjącymi na cząstkach gleby lub też na innych żywych organizmach. Należą do nich grzyby mające kształt przypominający bardzo cienkie korzonki, co ułatwia im dosięgać i wymieniać informacje ze swoimi sąsiadami. Są tam też bakterie, wszystkie składające się tylko z pojedynczych komórek, tak małe, że żeby je zobaczyć trzeba użyć mikroskopu. Część z tych mikrobów żyje wśród korzeni roślin w strefie zwanej ryzosferą (glebie przylegającej do korzeni) – zwane są one mikrobami ryzosferowymi. Mikroby mogą też żyć bezpośrednio na powierzchni korzeni albo nawet w ich wnętrzu [1]. W ryzosferze możemy znaleźć mikroby pożyteczne (dobre), które wspomagają roślinę we wzroście, jak i szkodliwe (złe), atakujące rośliny i powodujące ich choroby.   

JAK MIKROBY I ROŚLINY SIĘ KOMUNIKUJĄ?

Szczególnie ekscytujący jest fakt, iż mikroby potrafią się komunikować zarówno między sobą jak i z innymi organizmami takimi jak rośliny i zwierzęta. Komunikacja między mikrobami a roślinami jest badana przez wielu naukowców na całym świecie. Taka komunikacja jest oparta na użyciu związków chemicznych jako słów, i dlatego jest także zwana komunikacją chemiczną. Możesz sobie wyobrazić związek chemiczny jako grupę połączonych ze sobą kulek (atomów). Takie atomy jak węgiel (C), wodór (H), tlen (O) czy azot (N), połączone jak puzzle, tworzą związki chemiczne takie jak na przykład woda (H₂O) albo dwutlenek węgla (CO₂). Określone kombinacje atomów tworzą związki chemiczne o różnych właściwościach. 

Mikroby glebowe potrafią produkować wiele różnych typów związków chemicznych, które można podzielić na dwie główne grupy: związki rozpuszczalne i związki lotne. Związki rozpuszczalne rozpuszczają się w wodzie tak jak kostka cukru w herbacie i w glebie również są transportowane przez wodę. Takie rozpuszczalne związki są zwykle używane przez mikroby do komunikacji z roślinami znajdującymi się bardzo blisko. Związki lotne, często zwane także organicznymi związkami lotnymi (z angielskiego volatile organic compounds – VOCs) są używane do komunikacji na długie dystanse (Ryc. 1). Takie związki lotne są gazami, które z łatwości przemieszczają się w glebie poprzez wypełnione powietrzem kanały. Korzenie roślin są w stanie „wywąchać” takie związki lotne, tak jak nasze nosy są w stanie wyczuć kwiaty czy świeży chleb [1]. Jednak komunikacja chemiczna nie działa tylko w jedną stronę (od mikrobów do roślin), ale w dwie – rośliny także produkują związki które są zrozumiałe dla mikrobów.    

JAKIE SĄ EFEKTY KOMUNIKACJI CHEMICZNEJ?

Tutaj możesz przeczytać o tym co się dzieje, kiedy mikroby zaczynają rozmawiać z roślinami.

Rośliny i mikroby pomagają sobie w zdobywaniu jedzenia

Wiele mikrobów żyjących w glebie pomaga roślinom rosnąć, ponieważ potrafią one przetwarzać związki pokarmowe na takie, które rośliny potrafią przyswoić. Na przykład, bakterie zwane Rhizobium potrafią pobrać azot z powietrza (N₂) i zamienić go w inną formę: amoniak (NH₃). Taka transformacja nazywa się wiązaniem azotu i przebiega w glebie. Wiązanie azotu jest szczególnie ważne dla roślin, ponieważ potrzebują go, żeby rosnąć, ale są w stanie pobrać wyłącznie NH₃ z gleby, a nie N₂ z powietrza. Poprzez transformację N₂ w NH₃Rhizobium pomaga roślinom rosnąć i sprawia, że stają się bardziej wytrzymałe.

Co ciekawe, Rhizobium potrafi się porozumieć tylko z niektórymi roślinami, a należą do nich na przykład fasola i groszek. Ale jak taka rozmowa wygląda? Najpierw roślina wysyła sygnał w postaci związków chemicznych zwanych izoflawonoidami do ryzosfery, w ten sposób wabiąc Rhizobium. Bakterie „słyszą” roślinę, która je „woła” i podążają w jej stronę. Już podczas drogi w stronę korzeni roślin, Rhizobium zaczyna produkować inne związki chemiczne, tak zwane czynniki Nod, które mówią roślinie, aby przygotowała specjalne miejsce zwane brodawkami korzeniowymi, gdzie Rhizobium może zamieszkać. W zamian za miejsce do życia i pożywienie (cukry) otrzymywane od rośliny, Rhizobium daje roślinie duże ilości NH₃ (Ryc. 2). Wskutek powyższego, rośliny, które pozwalają Rhizobium żyć na swoich korzeniach mogą lepiej rosnąć. Zarówno dla roślin, jak i bakterii, wspólne życie przedstawia dużo korzyści, ponieważ oba organizmy mają więcej pożywienia niż gdyby żyły osobno, a więc są w stanie szybciej i lepiej rosnąć [2].

Mikroby pomagają roślinom chronić się przez chorobami i szkodnikami

Czynniki ożywione (biotyczne) to żyjące elementy środowiska takie jak rośliny, zwierzęta i mikroby (Ryc. 3). Stres biotyczny to to stres odczuwany przez roślinę czy zwierzę pod działaniem czynnika biotycznego, czyli na przykład złych mikrobów (zwanych patogenami) lub szkodników jakimi mogą być insekty. Dobre mikroby mogą pomóc roślinie w walce z patogenami w dwojaki sposób. Po pierwsze, mogą one odstraszać atakujących, a po drugie, aktywnie z nimi walczyć. Na przykład, niektóre dobre mikroby produkują lotne związki (VOCs), które powodują, że patogeny przestają rosnąć, a szkodniki przestają się interesować rośliną. Stosując drugą strategię, dobre mikroby mogą pomóc roślinie w walce z patogenem poprzez ostrzeżenie przed niebezpieczeństwem, tym samym dając czas roślinie na przygotowanie do obrony. Prawdopodobnie twoja mama każe ci w zimie jeść dużo owoców, takich jak pomarańcze, ponieważ zawierają one dużo witaminy C. Witamina ta wspomaga twój układ odpornościowy i pomaga ci w ochronie przed chorobami, na które jesteś bardziej narażony w zimie. Działa to dokładnie tak samo między roślinami a mikrobami! Na przykład związki chemiczne produkowane przez bakterie Pseudomonas fluorescens pozwalają roślinie lepiej chronić się przed atakami patogenów [3]. 

Mikroby pomagają roślinom przetrwać w trudnym środowisku

Czynniki abiotyczne to nieożywione części środowiska naturalnego, do których należą światło słoneczne, ciepło i woda (Ryc. 3). Stres abiotyczny to negatywny wpływ tych czynników na żywy organizm. Przykładami stresu abiotycznego, który osłabia rośliny jest brak wystarczającej ilości wody albo za duże zasolenie środowiska (nie próbuj podlewać swoich roślin wodą morską!). Dobre mikroby mogą ułatwić roślinom życie w trudnym środowisku! Na przykład bakterie Pseudomonas chlororapsis O6 wspomagają roślinę i pomagają jej przetrwać okres suszy, kiedy w środowisku nie ma wystarczającej ilości wody [4]. Inne mikroby, na przykład bakterie Bacillus subtilis, pomogą roślinie przetrwać zbyt duże zasolenie poprzez zredukowanie ilości soli docierających do korzeni [5].         

DLACZEGO ZROZUMIENIE KOMUNIKACJI CHEMICZNEJ JEST TAKIE WAŻNE?

Komunikacja chemiczna pomiędzy mikrobami i innymi organizmami żywymi ewoluuje od milionów lat. 450 milionów lat temu rośliny, które dotychczas rosły tylko pod wodą, zaczęły kolonizować lądy. Naukowcy uważają, że to żyjące w glebie grzyby jako pierwsze pomogły roślinom wyjść na ląd umożliwiając im pobieranie ważnych składników pokarmowych z gleby, a nie, jak wcześniej, tylko z wody [6]. Przez miliony lat chemiczna komunikacja pomiędzy mikrobami glebowymi była kluczowa w zapewnieniu roślinom dobrych warunków do życia. W tym artykule wyjaśniliśmy jak ważne dzisiaj są dla roślin interakcje z mikrobami. Dzięki nim, roślinom łatwiej jest pozyskiwać składniki odżywcze, opierać się chorobom i szkodnikom oraz żyć w trudnym środowisku. Niestety, te wszystkie dobre skutki działania mikrobów są zagrożone! Używanie dużych ilości antybiotyków, pestycydów oraz nawozów sztucznych w rolnictwie powoduje poważne zmiany w glebie. W szczególności wśród złożonych społeczności mikrobów powodują one wymieranie lub zastępowanie dobrych mikrobów innymi. Takie zmiany mogą mieć tragiczne skutki dla roślin, na przykład nowe mikroby mogą okazać się patogenami!

Ludzi na naszej planecie jest coraz więcej, a każdy człowiek potrzebuje jedzenia, którego dostarczają rośliny. Dlatego potrzebujemy nowych sposobów, żeby zapewnić dobre plony oraz stałą produkcję żywności [2]. Mikroby są coraz częściej wykorzystywane jako naturalni pomocnicy w rolnictwie. Badanie interakcji między mikrobami a roślinami jest konieczne, aby zrozumieć, których mikrobów potrzebujemy, by wspomagać wzrost roślin. Musimy zwracać szczególną uwagę na to, żeby wybrać właściwe mikroby! Na przykład użycie grzyba nazwanego Fusarium culmorum wydaje się dobrym pomysłem, ponieważ pomaga niektórym roślinom rosnąć w środowisku o wysokim zasoleniu. Z kolei dla kukurydzy Fusarium culmorum jest patogenem powodującym choroby! Dlatego naukowcy starają się jak najlepiej zrozumieć język chemicznej komunikacji między mikrobami a roślinami, dzięki czemu możemy lepiej zrozumieć, jak funkcjonują ekosystemy, jak organizmy w nich żyjące oddziałują na siebie i co najważniejsze – możemy poznać interakcje, które pozwolą nam uzyskiwać wysokie plony i jednocześnie chronić środowisko.      

SŁOWNICZEK

Ekosystem
Zestaw różnych organizmów (roślin, zwierząt i mikrobów) oddziałujących ze sobą i z materią nieożywioną w danej przestrzeni. 

Ryzosfera
Część gleby otaczająca korzenie roślin, gdzie rośliny i mikroby mogą ze sobą rozmawiać używając związków chemicznych.

Komunikacja chemiczna
Komunikacja pomiędzy dwoma lub więcej różnymi organizmami (roślinami, zwierzętami lub mikrobami) za pomocą związków chemicznych.

Rozpuszczalny
Substancja, która rozpuszcza się w wodzie, jak sól czy cukier.

Lotny
Substancja, która łatwo przechodzi w formę gazową i rozprzestrzenia się w powietrzu, jak na przykład zapachy kwiatów.

VOCs
Z angielskiego: volatile organic compounds, czyli organiczne związki lotne, związki chemiczne produkowane przez różne organizmy, jak rośliny czy mikroby, do komunikacji na długie dystanse.

Czynnik ożywiony (biotyczny)
Żywy element środowiska, taki jak roślina, zwierzę lub mikrob.

Czynnik nieożywiony (abiotyczny)
Nieożywiony element środowiska, taki jak kamień, światło słońca lub woda.

LITERATURA

[1] van Dam, N. M., Weinhold, A., and Garbeva, P. 2016. Calling in the dark: the role of volatiles for communication in the rhizosphere. ISME J. 12:1252–62. doi: 10.1007/978-3-319-33498-1_8

[2] Tomer, S., Suyal, D. C., and Goel, R. 2016. “Biofertilizers: a timely approach for sustainable agriculture,” in Plant-Microbe Interaction: An Approach to Sustainable Agriculture, eds D. Choudhary, A. Varma, and N. Tuteja (Singapore: Springer). p. 375–95. doi: 10.1007/978-981-10-2854-0_17

[3] Van Wees, S. C. M., Van der Ent, S., and Pieterse, C. M. J. 2008. Plant immune responses triggered by beneficial microbes. Curr. Opin. Plant Biol. 11:443–8. doi: 10.1016/j.pbi.2008.05.005

[4] Garbeva, P., and Weisskopf, L. 2020. Airborne medicine: bacterial volatiles and their influence on plant health. New Phytol. 226:32–43. doi: 10.1111/nph.16282

[5] Ortíz-Castro, R., Contreras-Cornejo, H. A., Macías-Rodríguez, L., and López-Bucio, J. 2009. The role of microbial signals in plant growth and development. Plant Signal. Behav. 4:701–12. doi: 10.4161/psb.4.8.9047

[6] Field, K. J., Pressel, S., Duckett, J. G., Rimington, W. R., and Bidartondo, M. I. 2015. Symbiotic options for the conquest of land. Trends Ecol. Evol. 30:477–86. doi: 10.1016/j.tree.2015.05.007

ZREDAGOWANY PRZEZ: Rémy Beugnon, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany

ŹRÓDłO: Ariotti C, Giuliano E, Garbeva P and Vigani G (2020) The Fascinating World of Belowground Communication. Front. Young Minds 8:547590. doi: 10.3389/frym.2020.547590

KONFLIKT INTERESÓW: Autorzy potwierdzają, że badanie zostało przeprowadzone bez żadnych komercyjnych lub finansowych relacji, które mogłyby być interpretowane jako możliwy konflikt interesów.

COPYRIGHT © 2020 Ariotti, Giuliano, Garbeva and Vigani. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.

MŁODY KRYTYK

SHASHI PREETHAM, WIEK: 13
Cześć, mam na imię Shashi. Mam 13 lat i chodzę do szkoły Penglais. Lubię grać w piłkę nożną i koszykówkę. Moje ulubione przedmioty w szkole to matematyka i informatyka. Jestem teraz w ósmej klasie. Jestem czterokrotnym rekordzistą Guinnessa w grze „Rocket League” i moje imię jest w Księgę rekordów Guinnessa: edycja dla graczy z 2018 roku.   

BIOGRAFIE AUTORÓW

CHRISTIANA ARIOTTI
Niedawno skończyłam studia na Uniwersytecie w Turynie uzyskując tytuł magistra z biologii środowiskowej. Obecnie jestem doktorantką na Uniwersytecie w Turnie, gdzie badam komunikację między roślinami a mikrobami glebowymi w środowisku niedoboru żelaza. W wolnym czasie lubię się wspinać (mieszkam blisko Alp!) i śpiewam w chórze.

ELENA GIULIANO
Niedawno skończyłam studia na Uniwersytecie w Turynie uzyskując tytuł magistra z biologii środowiskowej. Mam zamiar rozpocząć studia doktorskie w dziedzinie fizjologii roślin. Interesuję się interakcjami między mikrobami a roślinami i ochroną roślin przed biotycznym i abiotycznym stresem. Lubię dzielić się swoją wiedzą i pomysłami z ludźmi z innych kręgów kulturowych, a w wolnym czasie kocham czytać i fotografować.

PAOLINA GARBEVA
Jestem kierowniczką grupy badawczej na wydziale Ekologii Mikroorganizmów w Holenderskim Instytucie Ekologii (NIOO) w Wageningen. W moich badaniach skupiam się na zrozumieniu chemicznych oddziaływań i komunikacji u mikroorganizmów glebowych.

GIANPIERO VIGANI
Jestem badaczem na Uniwersytecie w Turynie (Włochy). Moje badania skupiają się na zrozumieniu, jak rośliny pobierają związki pokarmowe i wodę z gleby i jak w glebie zachodzą interakcje

TŁUMACZE

ADAM OSSOWICKI
Instytut biologii, Uniwersytet w Lejdzie, Holandia

WERONIKA KAMOLA-UBERMAN
Wydział filologiczny, instytut anglistyki i amerykanistyki, Uniwersytet Gdański, Polska