Ekofyziologie přenosů živin mezi mykorhizními houbami a jejich hostiteli Milan Baláž Ústav experimentální biologie Přírodovědecká fakulta MU Budu hovořit o... •arbuskulární, ekto-, orchideoidní (a erikoidní) mykorhizní symbióze •příjmu P, N, čátečně i jiných makroživin a vody a o přenosech uhlíkatých živin •"cost-benefit" modelu •spektru symbiotických interakcí •specificitě mykorhizních symbióz, Wood Wide Web alias CMNs, nurse-plant efektu • •může být orchideoidní mykorhiza mutualistická? •jak to souvisí s příjmem organického N z AK mykorhizami • • • Co určuje identitu mykorhizní symbiózy? 001 •identita mykorhizní houby? •identita hostitelské rostliny? •výživové interakce mezi symbiontem a hostitelem a tedy zařazení dané symbiózy do spektra možných vzájemných vztahů? •morfologické a anatomické znaky? • • 004 Co určuje identitu mykorhizní symbiózy? •identita mykorhizní houby? •identita hostitelské rostliny? •výživové interakce mezi symbiontem a hostitelem a tedy zařazení dané symbiózy do spektra možných vzájemných vztahů? •morfologické a anatomické znaky • • Typická mykorhizní symbióza... •funguje tak, že rostlina poskytuje houbě část svých fotosyntátů a naopak získává minerální prvky (P, N, ...) či vodu •Frank 1885 •mutualistická symbióza • 002 003 Fagaceae mutualismus Typická mykorhizní symbióza... •funguje tak, že rostlina poskytuje houbě část svých fotosyntátů a naopak získává minerální prvky (P, N, ...) či vodu •Frank 1885 •mutualistická symbióza → široká škála "normálního " fungování mykorhizních symbióz → jakékoli zobecnění má téměř vždy svá ale... Fosfor •makroživina, obsah v rostlinách ~ 0,2 % •Pi a Po •rostlinami a houbami přijímaný ve formě H2PO4- nebo HPO42- •v této formě v půdách ve velmi malé koncentraci (0,5 až 10 µM) •Pi – nejlépe dostupný při pH ~ 6,5; vysoká pH: Ca, Mg fosfáty; nízká pH: Fe, Al fosfáty •pevná vazba (adsorpce) na půdní částice •v půdě se pohybuje převážně pomalou difúzí, nikoli hromadným tokem • • Ca – apatit Intercepce (1), hromadný tok (2) a difúze (3) nutrient_flow Roční spotřeba vybraných živin monokulturou kukuřice a podíl intercepce, hromadného toku a difúze na zásobení rostlin těmito živinami (Barber 1984, sec. Marschner H.: Mineral Nutrition of Higher Plants. 2nd Edition. p. 485). Difúzní koeficienty a mobilita NO3-, K+ a H2PO4- v půdě. Jungk (1991), sec. Marschner H.: Mineral Nutrition of Higher Plants. 2nd Edition. p. 491). Průměrné roční koncentrace živin v půdním roztoku v orné (!) půdě (Luvisol, pH 7,7, svrchních 20 cm půdy). Data Peters (1990), převzato z Marschner H.: Mineral Nutrition of Higher Plants. 2nd Edition. p. 487). Pi •rychlý příjem vs. pomalá difúze = vznik depleční zóny kolem kořenů •cesta k překonání depleční zóny: –kořenové vlásky (mm) –mykorhizní mimokořenové mycelium!!! (cm, dm, m) •tento mechanismus je pravděpodobnou příčinou úžasného evolučního úspěchu mykorhizních symbióz (cf. velké fylogenetické stáří a rozšíření arbuskulární mykorhizy) Po §svrchní horizonty zejména lesních půd mohou obsahovat více jak > 50 % P v organických formách •fytáty (inositolfosfáty), fosfolipidy, nukleové kyseliny §před sorpcí hyfami či kořeny musí být nejprve hydrolyzovány (mineralizovány) •kyselé fosfatázy (bakterie, prvoci...AM, EKM, ErM, OM) Příjem P a mykorhizy §zvětšení objemu půdy pro sorpci Pi §nižší energetické náklady na využití daného objemu půdy ve srovnání s kořeny/kořenovými vlásky §menší průměr hyf oproti kořenům a kořenovému vlášení §morfologie kořenového systému §délka mimokořenového mycelia §vyšší afinita vůči Pi oproti kořenům (?) §produkce kyselých fosfatáz §asociace mykorhizních hub s P-rozpouštějícími bakteriemi • § • Příjem P a arbuskulární mykorhiza §odhad podílu P přijatého prostřednictvím mykorhizní houby: §tradičně býval založen na aditivním modelu příjmu – Pcelkový=Pkořeny+Pmykorhizní houba – konzervativní, tj. podhodnocené odhady, přesto běžně až 60-80 % §nově uvažován „přepínací“ mechanismus – mykorhizní rostliny až 100 % P prostřednictvím mykorhizní houby – -AM: Pcelkový=Pkořeny – +AM: Pcelkový=Pmykorhizní houba • § • Příjem P a arbuskulární mykorhiza §srovnání mykorhizních a nemykorhizních rostlin: §stejné obsahy P v pletivech rostlin, které se ani neliší růstovou odezvou, neznamenají nulový přínos mykorhizy k příjmu P §naopak, u AM rostlin může být příjem téměř věškerého P zprostředkován AM houbou § • Příjem P a EKM houby §obvykle vysoká produkce více izozymů fosfomonoesteráz (fytáty) a dalších fosfatáz §fosfodiesterázy dosud studovány poměrně zřídka (RNA) §schopny přijímat P z fosforitu (rock phosphate) či apatitu – lokální acidifikace prostředí, exudace organických kyselin (oxaláty) §Jones et al. (1998): ve srovnání s -M rostlinami EKM Eucalyptus coccifera 3,8× více P, AM E.c. 2-2,7× § • acidifikace: např. příjmem NH4+ Orchideoidní mykorhiza až 100× vyšší příjem P na jednotku délky kořenů (Alexander et al. 1984) u +OM vs. –OM rostlin Extrémně málo větvený kořenový systém vs. vysoká produkce mimokořenového mycelia Dosud jediná studie v ekologicky relevantních podmínkách (nikoli tedy in vitro) OM houby jsou schopné využívat organicky vázané P a N sloučeniny Dusík §přijímán rostlinami a mykorhizními houbami jako NH4+, NO3- nebo jako jednoduché, ve vodě rozpustné organické sloučeniny (AK) §velká pozornost věnována anorganickým formám a AM symbióze §„znovuobjevení“ příjmu organických forem N v posledním desetiletí • Ni •pohyb v půdě hromadným tokem a relativně rychlou difúzí, NO3- > NH4+ •toxicita NH4+: GS-GOGAT, GDH •preferovaná forma Ni se může pro jednotlivé druhy hub výrazně lišit •EKM houby –obvykle preferují amonné ionty před nitrátovými; v lesních půdách běžnější forma Ni –rychlost příjmu NH4+ modulována přítomností No –schopnost využívat nitráty mají zejména pionýrské druhy ECM hub osidlující disturbovaná stanoviště (Hebeloma sp.) • • glutaminsyntetáza (glutamát + NH3 = glutamin) glutamátsyntáza (aminotransferáza) (glutamin + 2-oxoglutarát = 2 glutamát) glutamátdehydrogenáza slzivka; Hebeloma cylindrosporum – až 10x více biomasy in vitro s nitráty než s amonnými ionty No •schopnost příjmu No (AK, di-, tripeptidy) dobře známa u EKM (+ ErM a OM hub) •AM houby přijímají No až po jeho mineralizaci půdní mikroflórou na Ni •peptidy a proteiny: proteolytická aktivita: ErM, saprotrofové; EKM - "protein fungi„, např. Suillus bovinus nebo Amanita muscaria; „non-protein fungi„, např. Laccaria laccata; Pisolithus tinctorius – intermediální; OM? •AK a amidy – v kyselých, humózních lesních půdách velmi významný pool –H+ symport –Gly nejhojnější forma translokovaná myceliem a předávaná hostitelské EKM rostlině • 005 Hebeloma – slzivka glutamin K, Ca, Mg a ektomykorhiza •za běžných podmínek nejsou tyto živiny pro EKM dřeviny limitující – příjem zprostředkovaný EKM symbiózou studován pouze zřídka •v půdě mnohem pohyblivější než Pi •antropogenní zátěž kyselými depozicemi – může se projevit deficience (zejména Mg a Ca) •EKM houby dokáží uvolňovat K z minerálů •× houbový plášť je výraznou bariérou apoplasti-ckého transportu látek (hydrofobiny; u některých EKM hub i hyfy ERM) deficience Mg přímá příčina úhynu lesů ve střední Evropě Voda a ektomykorhiza •zvýšený příjem vody??? (nebo jen efekt lepšího zásobení minerálními živinami???) •rhizomorfy mohou sloužit k vedení vody •i jednotlivé hyfy; symplastem, apoplastem??? •zvýšení hydraulické vodivosti EKM kořenů: zvýšená exprese některých akvaporinů za sucha (pttPIP2.5; Marjanovic et al. 2005) • přerušení rhizomorf Suillus bovinus – okamžité snížení transpirace zejména pttPIP2.5 – Populus hybrid, Voda a ektomykorhiza •hydraulic lift (Querejeta et al. 2003) –snadné vyschnutí svrchních horizontů půdy – omezení funkčnosti mykorhizy –„sycení“ vodou z hlubších půdních vrstev –kompartmentovaný kultivační systém, barviva nepropustná pro membrány (pouze apoplastický transport!), Quercus agrifolia, Cortinarius sp., od soumraku do kuropění a obráceně • • dawn to dusk dub kalifornský, pavučinec Lucifer Yellow carbohydrazide (LYCH) Cascade Blue hydrazide (CB) Typická mykorhizní symbióza... •funguje tak, že rostlina získává od asociované mykorhizní houby minerální prvky (P, N, ...) či vodu a naopak poskytuje houbě část svých fotosyntátů •výjimky: asociace mykoheterotrofních rostlin (orchideoidní mykorhiza, monotropidní mykorhiza, arbuskulární mykorhiza) a mixotrofních rostlin • Fotosyntáty 006 Fotosyntáty •různá závislost mykorhizních hub na fotosyntátech získávaných symbioticky od hostitelské rostliny –AM houby: obligátně biotrofní, ~ 100% C –EKM houby: pravděpodobně velmi vysoká variabilita, odhadujeme podle schopností saprotrofního růstu, ECM status se v průběhu evoluce objevuje u vybraných skupin hub opakovaně –ErM, OM: velmi dobré schopnosti saprotrofního růstu (celulázy, pektinázy, polyfenoloxidázy...) – •může být orchideoidní mykorhiza mutualistická? • Fotosyntáty •sacharóza, v mezilehlém prostoru (apoplast) štěpena invertázou vázanou na BS kortikálních buněk •10-30 % fotosyntátů předáváno mykorhizním houbám •růst ERM (a hyfového pláště), ale i obohacování půdy o C látky (glomalin), sekvestrace C •sezónnost fungování mykorhiz • • • • Obraz1 Fotosyntáty a ektomykorhiza •největší alokace fotosyntátů do EKM až ke konci vegetačního opdobí, v pozdním létě a na podzim •koreluje s výskytem plodnic EKM hub, s růstem kořenů, vyzráváním pletiv k odolnosti proti chladu •EKM stromy mají vyšší rychlost fotosyntézy: ERM jako sink pro C, sekvestrace v půdě •kalkulace množství C alokovaného do EKM hub (kg na ha za rok, borový les): –ERM 70, sporofory 30, houbové pláště 730, celkem 830 –40 % C na struktury, 60 % na respiraci –celkově vyprodukované fotosyntáty: 5 800 kg ha-1 rok-1 –t.j. 15 % fotosyntátů předáno EKM houbám • Cost-benefit model •vypůjčený z ekonomie •něco za něco •je daná aktivita pro mě výhodná? •velmi nejasné vymezení zisku; fitness –lepší vegetativní růst (vs. herbivorie) –lepší zásobení živinami •podle toho, jak z analýzy cost-benefit vychází hostitel a jeho mykorhizní houba můžeme danou mykorhizní asociaci zařadit do spektra symbiotických interakcí Spektrum symbiotických interakcí •Rasmussen and Rasmussen 2009 •pro AM není uvedena kategorie (+,-) tj. AM mykoheterotrofní rostliny •pro OM není uvedena mutualistická symbióza • • 008 Zařazení dané symbiózy do tohoto spektra je velmi dynamické zejména v čase, ale i se změnou vnějších ekologických podmínek, a vždy se vztahuje k aktuálnímu stavu!!! Specificita mykorhizních symbióz •AM: 200 druhů hub, ca 80 % druhů světové flóry – velmi nízká specificita fyziologická; ekologická specificita!!! •EKM: 5 až 6 tisíc druhů EKM hub, ca 3 % druhů vyšších rostlin – poměrně vysoká specificita •OM: časté debaty, terminologické nejasnosti, 25 tisíc druhů rostlin (ca 7-10 % světové flóry, ale pouze jedna čeleď!), stovky druhů OM hub; bazidiomycety a askomycety, EKM a saprotrofové • •izolované mykorhizní typy × vzájemné prolínání a interakce • • Specificita mykorhizních symbióz •mykoheterotrofní (mixotrofní) rostliny –orchideje: EKM bazidiomycety a askomycety •saprotrofní rostliny •mykoheterotrofně epiparazitické –monotropoidní mykorhiza: EKM houby •Selosse et al. 2009: Do Sebacinales commonly associate with plant roots as endophytes? –schopny vytvářet EKM, ErM a OM •ErM askomycety Cadophora finlandica a Meliniomyces bicolor –ErM i EKM • • Image1 www.cmn.net •wood wide web •common mycelial networks •net •propojení rostlin téhož/jiného druhu myceliem mykorhizních hub •napojení rostlin téhož/jiného druhu na již existující mycelium mykorhizních hub •nurse (plant) effect •cost-benefit analýza •poměrně stabilní (achlorofylie + mykoheterotrofie) i dynamicky se měnící interakce (semenáč vs. dospělý strom; klíčící vs. dospělá orchidej) • • www.cmn.net •Naše znalosti o mykorhizní symbióze jsou dosud útržkovité a schematické. Uniká nám pestrá spleť vzájemných vazeb, kterými jsou mykorhizní houby propojeny se svým okolím, a uniká nám také fyzikální a chemická podstata procesů a jevů, kterými jsou tyto vazby zajišťovány •(Gryndler et al. 2004). • • img016 • img016 Scénář 1: EKM stromy a v jejich stínu semenáče •stromy: vytvoření CMN •semenáče: využití CMN pro příjem živin bez větších investic C •??? závislé či nezávislé přenosy C látek a minerálních živin •přenos C mezi stromem a semenáčem??? • img016 Scénář 2: EKM stromy a v jejich stínu MKH orchidej •stromy: vytvoření CMN, její zásobování C látkami •orchidej: využití CMN pro příjem uhlíkatých i minerálních živin •epiparazitismus •cf. namísto EKM AM a přenosy C látek • Scénář 3: AM rostliny propojené CMN •přenos minerálních živin (P, N) •A: nutrient rich, B: nutrient poor •vyšší obsah v příjemcích +M rostlinách •!!! kompenzační růst kořenů donora, ovlivnění kompetice 007 Francis et al. 1986 • Scénář 4: dekapitovaný donor •rychlý a významný přenos minerálních živin (P, N) 007 Francis et al. 1986 • Scénář 5: OM orchidej a AM Plantago lanceolata, OM rhizoktonie ???????????????? Seralias lingua P6020599 12 13 Může být orchideoidní mykorhiza mutualistická? A jak souvisí příjem organického N z AK mykorhizami s mykoheterotrofií? Je OM mutualistická? •minerální živiny × uhlíkaté látky •orchideje v raných fázích plně MHT •v dospělosti však většina orchidejí zelená a fotosyntetizující •předává hostitelská orchidej za této situace něco svému symbiontu? • • • Smith Read 1997 paragraph Je OM mutualistická? •studie ze 60. až 80. let (Smith 1967; Hadley & Purves 1974; Alexander & Hadley 1985) •Cameron et al. 2006, 2008 • • • Page 1 from j Je OM mutualistická? •Orchid mycorrhiza is still considered a unilateral relationship •Surface sterilized plantlets were planted on an inert agar •Physiologically interesting as this may be, it is important to note that the result was obtained under an extreme starvation of the mycelium •It may be misleading to try to adapt orchid mycorrhiza to a frame of reference, that is basically a two-way exchange system, and normally mutualistic, such as AM. • • Je OM mutualistická? • • • PC220523 P1220820 P2231044 P6080005 Varianty: +C4, -C4 P1071009 δ13C Zea mays – listy -15,2 ‰ Zea mays – kořeny -14,6 ‰ Serapias strictiflora – listy -31,0 ‰ Serapias strictiflora – kořeny (var +C4) -28,2 ‰ Serapias strictiflora – kořeny (var – C4) -28,6 ‰ Serapias strictiflora – nové zásobní hlízy (var +C4) -28,2 ‰ Serapias strictiflora – nové zásobní hlízy (var – C4) -28,6 ‰ mimokořenové mycelium (var +C4) -21,6 ‰ mimokořenové mycelium (var – C4) -26,3 ‰ Izotopové složení rostlinných pletiv a mimokořenového mycelia Diskriminace zohledňující trofickou úroveň δ13C Zea mays – listy -15,2 ‰ Zea mays – kořeny -14,6 ‰ Serapias strictiflora – listy -31,0 ‰ Serapias strictiflora – kořeny (var +C4) -28,2 ‰ Serapias strictiflora – kořeny (var – C4) -28,6 ‰ Serapias strictiflora – nové zásobní hlízy (var +C4) -28,2 ‰ Serapias strictiflora – nové zásobní hlízy (var – C4) -28,6 ‰ mimokořenové mycelium (var +C4) -21,6 ‰ mimokořenové mycelium (var – C4) -26,3 ‰ Diskriminace zohledňující trofickou úroveň δ13C Zea mays – listy -15,2 ‰ Zea mays – kořeny -14,6 ‰ Serapias strictiflora – listy -31,0 ‰ Serapias strictiflora – kořeny (var +C4) -28,2 ‰ Serapias strictiflora – kořeny (var – C4) -28,6 ‰ Serapias strictiflora – nové zásobní hlízy (var +C4) -28,2 ‰ Serapias strictiflora – nové zásobní hlízy (var – C4) -28,6 ‰ mimokořenové mycelium (var +C4) -21,6 ‰ mimokořenové mycelium (var – C4) -26,3 ‰ Výpočet mixotrofie ERM při pěstování ve variantě +C4 - dvouzdrojový směsný model kořeny kukuřice - saprotrofie kořeny orchideje - biotrofie δ13C=-14,6 ‰ δ13C=-28,2 ‰ ERM Výpočet mixotrofie ERM při pěstování ve variantě +C4 - dvouzdrojový směsný model kořeny kukuřice - saprotrofie kořeny orchideje - biotrofie obohacení díky další trofické úrovni δ13C=-14,6 ‰ δ13C=-28,2 ‰ ERM Výpočet mixotrofie ERM při pěstování ve variantě +C4 - dvouzdrojový směsný model kořeny kukuřice - saprotrofie kořeny orchideje - biotrofie obohacení díky další trofické úrovni δ13C=-14,6 ‰ δ13C=-28,2 ‰ δ13C=-12,5 ‰ δ13C=-26,3 ‰ ERM Výpočet mixotrofie ERM při pěstování ve variantě +C4 - dvouzdrojový směsný model kořeny kukuřice - saprotrofie kořeny orchideje - biotrofie obohacení díky další trofické úrovni δ13C=-14,6 ‰ δ13C=-28,2 ‰ δ13C=-12,5 ‰ δ13C=-26,3 ‰ ERM δ13C=-21,6 ‰ Výpočet mixotrofie ERM při pěstování ve variantě +C4 - dvouzdrojový směsný model kořeny kukuřice - saprotrofie kořeny orchideje - biotrofie obohacení díky další trofické úrovni δ13C=-14,6 ‰ δ13C=-28,2 ‰ δ13C=-12,5 ‰ δ13C=-26,3 ‰ ERM δ13C=-21,6 ‰ 69 % 31 % •Potvrdili jsme, že biotrofní přenos C z orchideje do houby přetrvává i za situace, kdy má houba přístup k půdní organické hmotě; biotrofie i tehdy zabezpečovala většinu C pro růst ERM Je OM mutualistická? δ13C Zea mays – listy -15,2 ‰ Zea mays – kořeny -14,6 ‰ Serapias strictiflora – listy -31,0 ‰ Serapias strictiflora – kořeny (var +C4) -28,2 ‰ Serapias strictiflora – kořeny (var – C4) -28,6 ‰ Serapias strictiflora – nové zásobní hlízy (var +C4) -28,2 ‰ Serapias strictiflora – nové zásobní hlízy (var – C4) -28,6 ‰ mimokořenové mycelium (var +C4) -21,6 ‰ mimokořenové mycelium (var – C4) -26,3 ‰ Izotopové složení rostlinných pletiv a ERM Je OM mutualistická? •Potvrdili jsme, že biotrofní přenos C z orchideje do houby přetrvává i za situace, kdy má houba přístup k půdní organické hmotě; biotrofie i tehdy zabezpečovala většinu C pro růst ERM •nepotvrdili jsme příspěvek mykoheterotrofie k celkové výživě orchideje (rozdíly statisticky neprůkazné) – u druhu S. strictiflora je dominantním nutričním módem fototrofie (autotrofie) Orchideoidní mykorhiza může být i mutualistická! Ale jak souvisí příjem organického N z AK mykorhizami s mykoheterotrofií? Příjem AK versus mykoheterotrofie •rostliny a mykorhizní houby mohou přijímat jednoduché No látky typu AK •Cameron et al. 2006: 99% isotopically double-labelled [13C-15N]glycine, •15N v nadzemích částech G. repens – mykoheterotrofie!!! •Cameron et al. 2008: Giving and receiving: measuring the carbon cost of mycorrhizas in the green orchid, Goodyera repens •cf. Näsholm et al. (2009) Tansley review Uptake of organic nitrogen by plants. New Phytologist (2009) 182: 31–48. • – Máme opravdu považovat příjem AK nikoli za příjem N, ale za příjem C??? Pokud ano, zapomeňme na to, že rostliny jsou dominantně autotrofní organismy!!! P4232470 Děkuji Vám za pozornost Orchis papilionacea