Dołącz do czytelników
Brak wyników

Mikrobiologia

15 stycznia 2021

NR 42 (Styczeń 2021)

Grzyby endofityczne – hakerami roślin

100

W przyrodzie możemy zaobserwować zachowania organizmów żywych, które zbliżone są do działań hakerów w sieci internetowej. Pojęcie „hakerzy” utożsamiane jest z cyberprzestępcami łamiącymi zabezpieczenia naszych komputerów, smartfonów, tabletów, a nawet całych sieci. Hakerzy wymyślają i wykorzystują w swojej działalności różne techniki, najbardziej znane są nam tzw. wirusy (Hargrave 2012). Grzyby endofityczne (z gr. endon – wewnątrz – i phyton – roślina) to organizmy żyjące we wnętrzu prawie każdej rośliny (Petrini 1986). Co prawda nie mają kapeluszy, ale to jest ich zaleta. Są mikroorganizmami i mogą włamywać się i kolonizować tkanki roślinne bez widocznych objawów. Działają w sposób początkowo niewidoczny, utajony jak hakerzy cyfrowi.

Odkrycie endofitów grzybowych 

Intensywne badania nad endofitami grzybowymi roślin, szczególnie traw, rozpoczęły się na przełomie lat 80. i 90. XX w. W roku 1943 w Stanach Zjednoczonych pojawia się nowa odmiana kostrzewy trzcinowej (Festuca arundinacea) o nazwie Kentucky 31 (Sikkonen 2000). Był to ekotyp kostrzewy znaleziony na pastwiskach Appalachów. Okazało się, że była to niezwykle tolerancyjna trawa na zmienne warunki środowiska, szybko się do niego przystosowująca, łatwa w hodowli oraz dająca wysokie plony. W krótkim czasie zdominowała inne odmiany tego gatunku. Niestety, rolnicy zauważyli dziwne zachowania wśród zwierząt, które zjadały tę trawę. Bydło unikało słońca, liniało, notowano więcej poronień u zwierząt i spadła produkcja ich mleka. Mykolodzy odkryli, że przyczyną tych zaburzeń u zwierząt były endofityczne grzyby, workowce z rodzaju Epichloë występujące w obrębie tkanek niezwykle bujnej kostrzewy „Kentucky 31”.

POLECAMY

Jak wyglądają i jak się rozmnażają?

Strzępki grzybów endofitycznych przerastają nadziemne części roślin i rozmnażają się bezpłciowo, przez podziały strzępek. W hodowli in vitro ich ciało ma postać różnokolorowych strzępek nazywanych mycelium (fot. 1). Część endofitycznych grzybów wykorzystuje nasiona rośliny do transmisji wertykalnej. Zdarza się, często dopiero po wielu pokoleniach gospodarza, że niektóre z nich zaczynają się rozmnażać płciowo. W wyniku zapłodnienia krzyżowego, a potem procesu mejozy, dochodzi do powstania zarodników nazywanych askosporami. Ich rozprzestrzenianie się w przyrodzie jest niezależne od nasion rośliny. Wytworzone zarodniki na drodze transmisji horyzontalnej infekują inne rośliny, dostając się do zalążków ich kwiatów (Chungi Schardl 1997). Dopóki grzyb rozmnaża się bezpłciowo, jest ściśle uzależniony od sukcesu gospodarza, co wymusza często konieczność współpracy. Natomiast rozmnażanie płciowe grzyba zwykle prowadzi do wytworzenia relacji antagonistycznej. W przypadku gatunków z rodzaju Epichloë odkrytych w kostrzewie „Kentucky 31” następuje zblokowanie rozmnażania płciowego traw i w efekcie nie powstają nasiona. Ta choroba jest opisana pod nazwą choke disease (fot. 2) i notowana u wielu gatunków traw (np. Zabalgogeazcoa i in. 2008, Lembicz i in. 2010). Z kolei w dłuższej perspektywie utrzymywanie się rozmnażania bezpłciowego u endofita pozbawia go mechanizmu rekombinacji genetycznej i może prowadzić do tzw. zapadki Mullera (Muller 1964), czyli akumulowania w kolejnych pokoleniach endofita szkodliwych mutacji, które stopniowo obniżają jego dostosowanie. 
 

Fot. 1. Hodowla in vitro grzybów endofitycznych występujących w malinie (Rubus idaeus L.). Źródło: dane npbl. Fot. W. Wysoczański

 

Fot. 2. Choke disease – choroba traw wywołana przez grzyby z rodzaju Epichloë. Żółtopomarańczowa struktura płciowa grzyba otaczająca pęd trawy perzu Agropyron repens – przyczyna choroby. Źródło: Lembicz i in. 2010

Interakcje z roślinami i zwierzętami 

Grzyby endofityczne produkują mykotoksyny i zmieniają morfologiczne, fizjologiczne i rozwojowe cechy gospodarza, którego zasiedlają. Endofityczne mykotoksyny to różne alkaloidy – lolinowe, pirolizydynowe oraz alkaloidy typu ergolin. W wielu eksperymentach pokazano, że związki te chronią roślinę przed infekcjami bakteryjnymi, wirusowymi i grzybowymi oraz przed zgryzaniem ze strony roślinożerców, zarówno bezkręgowców, jak i kręgowców. Stwierdzono również, że rośliny z endofitami charakteryzują się większymi rozmiarami ciała, produkcją większej ilości pędów generatywnych i nasion w porównaniu z roślinami niezainfekowanymi (Cheplick i Faeth 2009). 

Spór o interakcję – mutualizm czy pasożytnictwo?

Wśród badaczy grzybów endofitycznych funkcjonują dwie alternatywne hipotezy wyjaśniające interakcje między grzybem endofitycznym, a zasied­loną przez niego rośliną (Faeth 2010, Rudgers i in. 2010). Obie te hipotezy znajdują przełożenie na działania hakerów w rzeczywistości cyfrowej. Pierwsza hipoteza, tzw. mutualistyczna, wyjaśnia tę relację, opierając się na fakcie, że grzybowy endofit to uwięziony symbiont, który musi doprowadzić do wzrostu dostosowania gospodarza, aby przeżyć. Druga hipoteza, tzw. niemutualistyczna, oparta jest na założeniu, że grzyb endofityczny to pasożyt, który manipuluje rośliną, aby osiągnąć sukces reprodukcyjny. Pomimo dwóch tak odległych światów, zarówno grzybowi hakerzy, jak i ci cyfrowi działają podobnie, tj. w utajony sposób, aby jak najdłużej pozostać niewykrytymi. Największe prawdopodobieństwo można zauważyć w hipotezie niemutualistycznej, gdzie grzyb manipuluje rośliną w celu zwiększenia reprodukcji podobnie jak haker urządzeniem cyfrowym w celu zdobycie informacji i zwiększenia swojego zasięgu. W eksperymentalnych badaniach pokazano, że trawy dziko rosnące, pozbawione grzybów endofitycznych z rodzaju Epichloë rozwijają się i rozmnażają lepiej niż rośliny zasiedlone przez te grzyby bez względu na genotyp rośliny i środowisko występowania. Infekcja powoduje raczej spadek niż wzrost odporności na roślinożerców i patogeny oraz zmniejsza zdolność do konkurencji. Dodatkowo stwierdzono również, że bezpłciowe endofity mogą hamować rozwój grzybów mikoryzowych u traw, ograniczając tym samym zdolność pobierania substancji odżywczych przez korzenie. Interakcja ta jest ciężka do określenia, ponieważ różnorodność grzybów endofitycznych jest bardzo duża, wraz z poznaniem nowych gatunków oraz prowadzeniu kolejnych badań dostarczane są informacje popierające zarówno mutualizm, jak i pasożytnictwo. Niewiele dostępnych informacji wskazuje również, że endofity mogą wpływać na dynamikę populacji, różnorodność roślin oraz funkcjonowanie ekosystemów. 
 

Fot. 3. Endofityczne stadium grzyba Epichloë sp. w nasionach trawy Festuca rubra (a) oraz w epidermie liścia Dactylis glomerata (b). Grzyb ma postać ciemnogranatowych strzępek. F ot. K. Górzyńska

Endofity grzybowe w rolnictwie, ochronie środowiska i medycynie

Coraz częściej naukowcy wykrywają związki przeciwdrobnoustrojowe, hormony wzrostu rośliny i różnego rodzaju bioaktywne metabolity produkowane przez grzyby endofityczne (np. Zhou i in. 2020, Rojas i in. 2020). Obecność endofitów wpływa na prowadzenie oszczędnej gospodarki azotem oraz lepszą przyswajalność fosforu, a także na odporność na szkodniki oraz niektóre choroby (Żurek i in. 2013). Rośliny zasiedlone przez grzyba wytwarzają większą biomasę młodych pędów, a przez to stają się także bardziej konkurencyjne w stosunku do innych roślin. Przejawia się to wydzielaniem do gleby związków o charakterze alleopatycznym, które hamują kiełkowanie i wzrost innych roślin (Cheplick i Faeth 2009). Endofityczne grzyby wykazują odporność na metale ciężkie oraz zdolność ich akumulacji, przez co są wykorzystywane w fitoremediacji oraz bioremediacji (Pietro-Souza 2020). Grzyby współuczestniczą w mechanizmach odpornościowych związanych z utlenianiem się i bioakumulacją np. rtęci w tkankach roślinnych, dzięki czemu przyczyniają się do programów bioremediacji. Produkują także enzymy w celu degradacji zanieczyszczeń (np. Wężowicz 2017). W wyniku takiego działania zwiększa się wzrost roślin oraz poprawia translokacja i akumulacja metali ciężkich wewnątrz rośliny (Hai-Yan Li 2012). Obecnie odkrywane są metabolity produkowane przez grzyby endofityczne, które wykazują aktywność biologiczną w stosunku do komórek rakowych,...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy