Mikrobiológiai alkalmazások a növénytermesztésben

Átírás

1 Mikrobiológiai alkalmazások a növénytermesztésben

2 Problémák Véges készletek Fosszilis tüzelőanyagok Víz Tápanyagok. Szikesedés Növényvédőszerek használata a talaj természetes élővilágának elpusztulása

3 Növények és mikroorganizmusok közti szimbiózisok

4 Növény mikroorganizmus szimbiózis: valamilyen tápanyag hiány esetére való alkalmazkodás A légköri N 2 felvehetetlen (a növényeknek nincs nitrogenáz enzimük) Felvehető nitrogénből, foszforból, egyes esszenciális mikroelemekből általában kevés van a legtöbb talajban szimbiotikus organizmusokkal való kooperáció képesek a N 2 fixálására vagy a talaj oldhatatlan N, P, stb. formáinak mobilizálására. 180 millió tonna megkötött légköri nitrogén 80% szimbiotikus kapcsolat Az evolúció során párhuzamosan több ilyen kapcsolat is kialakult Bakteriális Gomba-gyökér

5 Bakteriális szimbiózisok

6 A gyökérzóna baktériumflórája Rhizoszféra: első leírás Lorenz Hiltner 1904 a talajnak az a gyökeret körülvevő zónája, amelyre az hatással bír A növény által kibocsátott exudátumok (pl. cukrok, aminosavak) és elhalt növényi részek tápanyagforrást biztosítanak a rizoszféra mikrobiális életközösségeinek, mennyiségük és összetételük pedig szabályozza azt

7 I. A növényi növekedést serkentő rizobaktériumok (Plant Growth Promoting Rhizobacteria PGPR) segítik a növény növekedését, vagy stressz tűrő képességét Hatások: 1. javíthatják a tápanyagellátást (biofertilizátorok), 2. növekedés-szabályozó anyagok vagy vitaminok termelése révén fejthetnek ki pozitív élettani hatást a növényre (biostimulánsok), illetve 3. növénybetegségek tüneteit és kórokozók fertőzésének mértékét csökkenthetik (bioprotektánsok, biopeszticidek) 4. xenobiotikumok lebontását serkenthetik (rizomediátorok) Több hatás egyszerre: pl. a nitrogénfixáló Rhizobium fajok hormonés vitamintermelés, fitosziderofór-termelés, foszfát-szolubilizálás, patogének elleni védelem is abiotikus stresszfaktorok ellen is védelmet nyújthatnak (szárazság, sóstressz, magas hőmérséklet, áradás, oxidatív stressz, UV)

8 A Bacillus subtilis kezelés hatása a bors növényi biomasszára T1, T2 kezelt, T3, T4, T5 kezeletlen (Castillo és mtsai. 2013)

9 1. A PGPR baktériumok szerepe a tápanyagellátásban Biofertilizátorok diazotróf (nitrogénfixáló) növekedésserkentő baktériumok foszfát-szolubilizáló baktériumok Vashiányos környezetben egyes baktériumok (Pseudomonas, Enterobacter, Bacillus, Rhodococcus) sziderofórokat termelnek (pl. entrobaktin), hogy komplexálják a Fe 3+ iont, amely így felvehetővé válik

10 Szabadon élő diazotróf (nitrogénfixáló) növekedésserkentő baktériumok - különösen nagy jelentőségük van oxigénhiányos talajokban, ahol a denitrifikáció hatására lecsökken a nitrát mennyisége: a természetes rizoszférákban, de izolálhatók a legfontosabb mezőgazdasági növények (rizs, búza, kukorica, cukornád, gyapot) gyökeréről is Számos faj anaerob vagy mikroaerofil környezetben (pl. a rizs rizoszférájában előforduló fajok) Azotobacter fajok, Azospirillum fajok (fűfélék) Gluconoacetobacter diazotrophicus: a cukornád N igényének több, mint felét képes biztosítani, jól bírja az alacsony ph-t magas ph és sótoleráns: Azoarcus, a Burkholderia, az Enterobacteriaceae családba tartozó Klebsiella, Enterobacter, Citrobacter, bizonyos Pseudomonas fajok, Herbaspirillum (a rizs N ellátásának akár felét biztosítani képes)

11 Azospirillum fajok hatása a rizs gyökérmorfológiájára (A baktérium nélkül, B Baktériummal

12 Foszfát-szolubilizáló baktériumok (phosphatesolubilizing bacteria - PSB) a talajban lévő oldhatatlan szerves (pl. fitát) és szervetlen (kálciumfoszfát, apatit) foszforformákat képesek a növény számára felvehető inorganikus foszfáttá (P i ) alakítani a szervetlen foszfátokat szerves savak (pl. glükonsav, tejsav, valeriánsav, ecetsav, oxálsav, stb.) vagy H + szekréciója révén oldják fel a szerves foszfátok mineralizációja például foszfatáz, fitáz enzimek leadásával valósul meg. Pseudomonas, Erwinia, Bacillus, Rhizobium, stb. fajok

13 2. PGPR baktériumok szerepe a növényi hormonháztartásban és stresszélettanban növényi növekedés-szabályozó anyagok szintézise és exportja révén képesek közvetlenül is befolyásolni a növényi növekedést és fejlődést indolecetsav, különböző citokininek, gibberellinsav, abszcizinsav és etilén termelés szerves (herbicidek, peszticidek, xenobiotikumok) vagy szervetlen (nehézfémek) szennyezők biodegradációja vagy akkumulációja Kluyvera ascorbata: nagy mennyiségben képes a nehézfémek (Ni 2+, Pb 2+, Zn 2+, and CrO 4- ) akkumulációjára Azospirillum fajok: az ozmotikus stresszhez való adaptáció elősegítése glutamát, prolin, glicin-betain és trehalóz akkumuláció révén a kolonizált növények víztartalma magasabb volt

14 3. PGPR baktériumok szerepe a kórokozók elleni védelemben Sziderofórok termelése révén megkötik a talaj vastartalmát, amely így elérhetetlenné válik a patogének számára (szubsztrát kompetíció) toxinok (pl. Fusarium toxin) lebontására Közvetlen gátló hatás: antibiotikumok, hidrogén-cianid vagy gomba sejtfalbontó enzimek (kitináz, b- 1,3 glükanáz) szintézis Mezőgazdaságban az egyik legjelentősebb: Bacillus subtilis, antibiotikum termelés, kórtünet-csökkentő hatása, számos gombapatogén ellen emeli a növény védettségét

15 II. Nitrogénkötő endoszimbiózis a pillangósokban Az egyik legősibb és a pillangósok gyakorisága és fajgazdagsága folytán az egyik legjelentősebb növény-mikroba szimbiózis speciális szervek, gyökérgümők (noduluszok) képződnek a gyökéren, amelyekben a szimbionta baktériumok, ún. bakteroidok találhatóak szorosan szabályozott kétoldalú folyamat növényi és bakteriális gének Rhizobiales

16 A: A baktériumok (ba) a felszínt kolonizálva a gyökérszőrökhöz (gysz) tapadnak. B: A gyökérszőr vége meggörbül és kialakul a preinfekciós fonal (pif), amely a sejtmagot (nu) követve növekszik a gyökér felé. C: A növekedő preinfekciós fonal eléri az epidermisz (ep) alját. D: A preinfekciós fonal elágazik a kéreg (ké) osztódó sejtjei által képzett nodulusz primordium területén. A szállítószövetbe (szá) nem nő. E: A preinfekciós fonalon keresztül bejutnak a baktériumok a nodulusz sejtjeinek citoplazmájába, ahol peribakteroid membránnal (pbm) körülvett bakteroidokká (br), azaz szimbioszómákká alakulnak.

17 A gyökérgümő működése nitrogén megkötését a bakteroidok nitrogenáz enzimkomplexe végzi: Energiaigényes a fotoszintetikus termékek 30%! N 2 + 8e + 8H ATP = 2NH 3 + H ADP + 16 Pi Oxigénérzékeny: csak anaerob körülmények között képes a légköri nitrogén redukálására

18

19 III. Aktinorhizás szimbiózis Actinobacteria törzs Actinomycetales rendjébe tartozó Frankia génusz tagjai fonalas szerveződésű baktériumok, amelyeket eredetileg gombának hittek Fertőzés: gyökérszőrökön keresztül elsődleges nodulusok a fertőzött sejtek fokozott auxin termelése miatt intenzív oldalgyökérképződés a már növényben levő szimbionták azonnal elfoglalják Mikodomáciumok: nyílt növekedésű, gyökérszerű képződmények (az auxin termelés folyamatos) a mikroorganizmusok nagyobb szabadsággal rendelkeznek: osztódhatnak és megmarad a mozgásképességük is. Frankia alni, amelynek számtalan törzse specifikus nitrogénkötő szimbiózis: éger (Alnus sp.) és más fás szárú fajokkal (pl. Eleagnus sp. ezüstfa, Hippophae sp. homoktövis) a szimbiózisban résztvevő növények általában pionír fajok gyenge vagy oxigénhiányos talajokon

20

21 Gomba gyökér szimbiózisok

22

23 A kifejezést Albert Bernhard Frank vezette be 1885-ben, jelentése gombagyökér a növények túlnyomó többségére jellemző a növény ásványi tápanyagokat kap a gyökéren kívüli micéliumból és a gombát szénvegyületekkel látja el* Típusai: 1. Arbuszkuláris mikorrhiza 2. Ektomikorrhiza 3. Ektendomikorrhiza 4. Arbutoid mikorrhiza 5. Erikoid mikorrhiza 6. Orchid mikorrhiza 7. Mikoheterotróf mikorrhiza kapcsolatok

24 1. Arbuszkuláris mikorrhiza (AM) a két partner által közösen létrehozott speciális intracelluláris tápanyagátadó képletről, az arbuszkulumról kapta nevét csak festés után, mikroszkóppal vizsgálhatók, szemmel nem láthatók Növénypartnerek: A zárvatermő fajok %-a arbuszkuláris mikorrhizát képez obligát mikotróf növények fakultatív mikotrófok, mikorrhizát csak megfelelő esetben (alacsony tápanyagszintek esetén, vagy extrém környezeti feltételek mellett, pl. nehézfém-, vagy só stressz) képeznek Gombapartnerek: az első leírt gombapartner: Glomus génusz fajai obligát, aerob szimbionták, önálló nevelésük nem lehetséges, tenyésztésük csak a gazdanövénnyel! 230 fajt izoláltak és határoztak meg, rendkívül elterjedtek és a leggyakoribb talajgombák közé tartoznak Glomeromycota törzsbe, ezen belül pedig négy rendbe (Glomerales, Diversisporales, Paraglomerales és Aschaeosporales) gomba-növény specificitás nincs, vagy nagyon alacsony mértékű Az AM kialakulásának lépései: Prekolonizációs fázis Penetrációs fázis Szimbiotikus fázis

25 1. prekolonizációs fázis a gombaspóra csírázásától a gazdával való fizikai kontaktusig tart a gyökerek kolonizációja általában nem a spórából indul ki, hanem a talajban már meglevő hifarendszerből fontos szerepet játszanak a növény által termelt szignálanyagok egy erős koncentráció-grádienst hoznak létre a rizoszférában, világosan jelezve az irányt a gyökér felszíne felé Cukrok, aminosavak, flavonoidok, stb. A hifarendszer sérülése (durva talajművelés, fungicidek ) elpusztítja a már kialakult közösséget

26 2. penetrációs fázis a gyökér felületével érintkező hifa adott helyen ún hifopódiumot képez A növény előkészíti a gomba behatolásának helyét a hifopódium alatt történő sejtfalvastagodással és az ún. prepenetrációs apparátus (PPA) kialakításával: PPA: egy vastag citoplazmahíd a sejt vakuólumán keresztül: mikrotubuláris hálózat + mikrofilamentumok + endoplazmatikus retikulum ciszternái a hifopódiumból kiinduló infekciós hifa be tud lépni, hogy tovább hatoljon a gyökérszövetbe A gomba még nem hatol be a sejtekbe

27 Az AM prepenetrációs apparátusa (A) és a Rhizobium szimbiózis preinfekciós fonala (B)

28 3. Szimbiotikus fázis a micélium képződése felgyorsul és intercellulárisan gazdagon elágazik, létrehozva az arbuszkulum nagy felülettel bíró elágazási struktúráját A sejtszerkezet megváltozik Az anyagátadási felületet a növényi plazmamembránnal folytonos periarbuszkuláris membrán (PAM), a periarbuszkuláris tér és a gomba membránja képezik: az élővilág egyik leghatékonyabb tápanyagátadási felülete A hifák idősödése során inter- vagy intracelluláris, lipidekben és foszfátban gazdag raktározó szervek, ún. vezikulumok jöhetnek létre

29

30 Az AM kialakulásának lépései

31 AM gombaspóra (Glomus sp.) AM gomba (Rhizophagus irregularis) spóracsokor, sárgarépa (Daucus carota) gyökérkultúrában

32 Az AM-ek szerepe Foszforfelvétel Nitrogén felvétel Egyéb tápelemek (szulfát, a kálcium, magnézium) felvétele a tápanyagfelvevő felület növelése (a gyökérhez csatlakozó extraradikális hifák révén akár tíz méternél is hosszabb lehet 1 cm hosszúságú kolonizált gyökérszakaszra)

33 A mikorrhizás növekedési válasz. A: 3 hónapos mikorrhizált (jobb oldal) és nem mikorrhizált (bal oldal) akác csemeték (Parádi István felvétele). B: Kadmiumszennyezett talajon növő mikorrhizált (jobb oldal) és nem mikorrhizált (bal oldal) fehér here növények (Takács Tünde felvétele).

34 2. Ektomikorrhiza (EM) alapvetően a N felvételére specializálódott szimbiózis intracelluláris penetráció nem fordul elő Növényi partnerek: A virágos növényfajok csupán 3%-a képez ektomikorhizát (pl. fenyőfélék, nyírfafélék, bükkfafélék) Gombapartnerek: gombafaj számos gasztronómiailag is értékes faj képez ektomikorrhizát (rókagomba, vargánya, szarvasgombák) A gomba a növénynek szállított tápanyagokért (N, P) cserébe fotoszintetikus termékeket kap Jellegzetességek 1. a gyökércsúcsokat beborító gombaköpeny, 2. a kéregben intercellulárisan növő Hartig-háló, 3. a gyökérből kifelé növő, a talajjal való összeköttetést biztosító hifák, az extraradikális micélium.

35

36 EM gyökércsúcsok fehér fűz (Salix alba) gyökéren. A.: Hebeloma crustuliniforme, B: Tuber sp. Parádi István felvételei

37 Egyéb mikorrhiza típusok 1. Ektendomikorhiza: Az EM-hez hasonló, de intracelluláris penetrációra is képes Fenyőfélék (Pinus, Larix, Picea) csemeték 2. Arbutoid mikorhiza: EM-hez hasonló gombaköpeny és Hartig-háló alakul ki, de emellett a kéreg külső sejtjeiben intracelluláris hifahurkok Arbutoidea alcsalád (hangafélék) fásszárú nemzetségei 3. Erikoid mikorhiza hangafélék Rhizoscyphus ericae gombával N és P felvétel Toxikus fémek elleni védelem

38 4. Orchid mikorrhiza orhideafélék mikorhizái Az orhideák már a csírázáskor mikorrhizapartnerre szorulnak Rhizoctonia gombanemzetség tagjai 5. Mikoheterotróf mikorhiza kapcsolatok: a mikoheterotróf növények, a gombapartnerük epiparazitáiként viselkednek csaló kapcsolat: a gomba számára semmilyen egyértelmű előny nem származik a kapcsolatból

39 csere/ch12.html gcsere/ch12.html

40 Mikroorganizmusok felhasználása a környezetvédelemben: bioremediáció

41 a szennyezett talaj, talajvíz, felszíni víz, vagy felszíni víz üledékének a (toxikus) szennyező anyagoktól való megtisztítására biológiai rendszerek segítségével az ökoszisztéma endogén tagjai vagy közösségei, a közülük izolált és laboratóriumi illetve ipari körülmények között felszaporított, esetleg genetikailag módosított mikroorganizmusok és/vagy növények

42 Biodegradáció szerves anyagok biológiai úton történő teljes elbontása, mely során szén-dioxid, víz és biomassza keletkezik egyes anyagok lebontása, átalakítása gyakran nem egyetlen faj, hanem egy közösség aktivitásának eredménye Nyers olaj lebontására képes baktérium

43 Biotranszformáció Egy veszélyes, toxikus anyag átalakítása nem toxikus formára Egy mikotoxin, a zearalenon lebontása egy nem toxikus metabolittá, amit a Trichosporon mycotoxinivorans faj enzimei katalizálnak

44 Ex-situ bioremediációs technikák a szennyezett talajt illetve vizet kitermelik (kiássák, kipumpálják) és nem a szennyezés helyén kezelik Landfarming technika agrotechnológiai eljáráson alapuló módszer, melynek során a szennyezett talajt 0,5-0,8 méter vastagságban egy előre elkészített vízzáró rétegre hordják, majd időszakonként forgatják vagy szántják, hogy levegőzzön a szennyeződések aerob, azaz oxigén jelenlétében történő lebontása Komposztálás: a szennyezett talajt veszélytelen szerves anyaggal, pl. trágyával illetve mezőgazdasági hulladékkal keverik - gazdag mikrobiális populáció és a komposztálásra jellemző magasabb hőmérséklet kialakulása Bioreaktorban a szennyezett vizet, illetve vízzel elegyített talajt (iszapot) valamint a biomasszát (a szennyezett anyaggal bekerült vagy hozzáadott mikroorganizmusokat) összekeverik, hogy a talajhoz kötött és a vízoldékony szennyeződések minél gyorsabban lebomoljanak

45 In situ bioremediációs technikák Helyben történő szennyezőanyag lebontás Biostimuláció: ventilláció és tápanyagok hozzáadásával serkenteni a helyi mikroflóra működését Bioaugmentációt: máshonnan származó, a szennyezést lebontó mikroorganizmusok Fitoremediáció: szennyezés eltávolítás különböző növények segítségével

46 Biostimuláció a környezeti feltételek javításával, például a tápanyag mennyiségének, a szennyező anyag biológiai hozzáférésének növelésével elősegítjük annak lebontását a bennszülött mikroflóra életfeltételeit javítjuk (Forrás: Ecocycle Corporation).

47 Bioaugmentáció A szennyező anyag biológiai lebontására képes mikroorganizmusok bejuttatásával elősegítjük a szennyezés lebontását

48 bioremediáció szempontjából a mikroorganizmusok 1. aerob baktériumok: oxigén jelenlétében növekednek, s gyakran a szennyező anyagot használják kizárólagos szén- és energiaforrásként. A Pseudomonas, Alcaligenes, Sphingomonas, Rhodococcus, és Mycobacterium fajok többek között peszticidek és alifás illetve poliaromás szénhidrogének lebontására képesek 2. metilotróf baktériumok: a metánt használnak fel a metán lebontásának során számos szennyező anyagot képesek felhasználni (alifás halogénezett szénhidrogének) 3. anaerob baktériumok: klór tartalmú szennyező anyagok eltávolítása 4. fonalas gombák: számos toxikus anyag lebontása ligninbontó gombák