Arbuskulární mykorhiza Arbuskulární mykorhiza P1120270-73 Arbuskulární mykorhiza Co to jsou mykorhizy? Arbuskulární mykorhiza 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 Arbuskulární mykorhiza 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 • • Arbuskulární mykorhiza je nejrozšířenějším typem symbiózy na Zemi (= vytváří ji největší počet druhů živých organismů) a spolu s ektomykorhizou je typem ekonomicky nejdůležitějším Arbuskulární mykorhiza Arbuskulární mykorhiza •taxony hostitelských rostlin –rozšíření AM – kopíruje rozšíření hostitelů •taxony arbuskulárně mykorhizních hub (AMF) –základní biologická charakteristika •AM vnitro- a mimokořenové struktury –arbuskuly, vezikuly, hyfy, apresorium, spory, pomocné buňky •Paris a Arum morfotyp AM •životní cyklus AMF • • • • • Arbuskulární mykorhiza Někteří lidé říkají, že všechno je na houby. Mýlí se! Některé houby jsou na všechno. (Rozmoš 2009) Arbuskulární mykorhiza Arbuskulární mykorhiza Hostitelské rostliny •> 70 % druhů vyšších rostlin tvoří AM •cca 200 000 druhů rostlin •charakteristické pro krytosemenné rostliny, ale i některé skupiny nahosemenných (Thuja, Sequoia, Metasequoia, Ginkgo, Cycas), kapadiny a plavuně („kapraďorosty“), játrovky •mechy ne! •nemykorhizní čeledi: Brassicaceae, Chenopodiaceae, Caryophyllaceae, Cyperaceae, Juncaceae •izolované druhy z jinak mykorhizních čeledí: Urtica dioica, Lupinus spp. • •Harley JL and Harley EL. (1987) A check-list of mycorrhiza in the British flora. New Phytol. (suppl.) 105, 1-102 (Blackwell) • • Arbuskulární mykorhiza Hostitelské rostliny •všechny kontinenty včetně Antarktidy (Deschampsia antarctica) •všechna klimatická pásma • všechny vegetační výškové stupně •všechny ekosystémy, včetně agroekosystémů Arbuskulární mykorhiza Fig. 2 Regional-scale case studies of mycorrhizal diversity shown as pie charts with locations shown on a global vegetation map. These charts were produced by assigning mycorrhizal status to all of the species in a region based on phylogeny (All; data from Brundrett, 2009, 2017b; Lambers et al., 2010), or from studies where roots of many species were sampled (S). Note that letters refer to sampling locations, except where associated with polygons that show the approximate boundaries of regional studies. These samples were from 2970 spp. from Russia (Akhmetzhanova et al., 2012), 1037 spp. from Japan (Maeda, 1954), 147 spp. from Hawaii (Koske et al., 1992), 247 species from tropical Australia (Brundrett et al., 1995), 332 spp. from South Africa (Allsopp & Stock, 1993), 215 spp. from Guiana (Bereau et al., 1997; McGuire et al., 2008), 329 spp. from India (Muthukumar & Udaiyan, 2000) and 286 spp. from Argentina (Fontenla et al., 2001; Fracchia et al., 2009). NM and NM–AM plants were not distinguished in these surveys. This figure includes many of the most important habitats on earth, but extreme habitats where mycorrhizas may be less common are not well represented at this scale. Simplified global vegetation patterns follow Olson et al. (2001). Arbuskulární mykorhiza Mykorhizní houby •fyziologicky (a ekologicky) obligátně biotrofní organismy •dříve řazeny do oddělení Zygomycota, řádu Glomales •dnes vyčleněny do samostatného oddělení Glomeromycota • • Schüßler, A., Schwarzott, D., and Walker, C. 2001. A new fungal phylum, the Glomeromycota: phylogeny and evolution. Mycological Research 105:1413-1421 • fyziologicky obligátní biotrofie: slepá vývojová ulička – těsná závislost na hostiteli; jenže hostitelé jsou obecně rozšířeni! classification Arbuskulární mykorhiza (INVAM) •Classification of Glomeromycota •The most recent classification of Glomeromycota is based on a consensus of regions spanning ribosomal RNA genes: 18S (SSU), ITS1-5.8S-ITS2 (ITS), and/or 28S (LSU). The phylogenetic reconstruction underlying this classification is discussed and summarized in Redecker et al. (2013). The parts of the tree about which we agree (based on our LSU sequences) are depicted in the left illustration. • •REFERENCE •Redecker, D., A. Schüßler, H. Stockinger, S. Stürmer, J. Morton, and C. Walker. 2013. An evidence-based consensus for the classification of arbuscular mycorrhizal fungi (Glomeromycota). Mycorrhiza doi:10.1007/s00572-013-0486-y. Glomeromycetes-tree Arbuskulární mykorhiza Mykorhizní houby •pouze malý počet druhů AMF - cca 200 •tradiční taxonomie založená především na způsobu vytváření spor (Gryndler pp. 37-38), jejich velikosti, barvě, ornamentaci, utváření a chemismu buněčné stěny •sekvenování rDNA: 18S (SSU), ITS1-5.8S-ITS2 (ITS), and/or 28S (LSU). • •přehled taxonů cf. počet s ektomykorrhizními houbami – cca 20 000 druhů!!! asexuální spory Arbuskulární mykorhiza Mykorhizní houby •fylogeneticky velmi archaická skupina hub, která existovala (a vytvářela mykorhizu?) již v období ordoviku (nejstarší nálezy cca 450 -430 miliónů let) •účast na kolonizaci souše rostlinami (před cca 430 milióny let) Dinosaurs were vertebrate animals that dominated terrestrial ecosystems for over 160 million years, first appearing approximately 230 million years ago. At the end of the Cretaceous Period, approximately 65 million years ago, a catastrophic extinction event ended dinosaurs' dominance on land. (Wikipedia) Arbuskulární mykorhiza Trends in Plant Science 2008 13, 492-498DOI: (10.1016/j.tplants.2008.07.001) Summary of the current knowledge on AM fungal distribution throughout geological periods, plant taxa, gametophytic and sporophytic generations. The distribution of extant AM fungal families (Archaeosporales, Glomerales, Diversisporales and Paraglomerales [2]) throughout haploid and diploid generations in the present flora is illustrated in the top part of the chart on the basis of findings reported in Refs [12–14] and reviewed in Refs [8,11,15,16]. The lower part localizes the currently known AM fossils on a time scale, side by side with plant evolution. The broken grey line indicates the speculative association between the AM-like fossil fungi and the plant clades existing in the Ordovician [19]. The solid grey lines illustrate AM-like fungi associated to the Devonian Rhyniophyta [4–7,17] or fossil tracheophytes [7]. The scheme also highlights how AMs pre-dated the appearance of roots (red arrow). MYA=million years ago. Arbuskulární mykorhiza The AM fungi-plant symbiosis is > 400 million years old Remy, W., Taylor, T.N., Hass, H. and Kerp, H. (1994). Four hundred-million-year-old vesicular arbuscular mycorrhizae. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91: 11841-11843, copyright National Academy of Sciences, USA; Images courtesy of Griensteidl, Mark Brundrett 400 million year old fossilized AM fungus within plant cell This arbuscule was found inside a fossilized Devonian plant, Aglaophyton major Modern arbuscules within plant cells Arbuskulární mykorhiza • Pages from Mycorrhizal symbiosis 3rd edition (highlighted text)-2 Arbuskulární mykorhiza Arbuskulární mykorhiza Mykorhizní houby •výhradně nepohlavně se rozmnožující organismy??? •spory obsahují několik set až tisíc haploidních jader; rovněž nepřehrádkované mycelium je mnohojaderné •genetická rozrůzněnost jader (heterokaryontní organismy) – možný mechanismus uplatňující se v evoluci namísto rekombinace alel; Mullerova rohatka (Mullers ratchet). • Arbuskulární mykorhiza Arbuskulární mykorhiza Parasexual • parasexual Arbuskulární mykorhiza Figure 1. Potential Parasexual Mechanisms Driving Genetic Diversity in Arbuscular Mycorrfiizal Fungi. Parental genomes found in arbuscular mycorrhiza (AM) dikaryons are shown as red/orange or blue DMA strands, and transposable element (TE) repeat regions are shown in black, (A) Plasmogamy between two compatible homokaryotic strains and putative parasexual events. A nuclear exchange (plasmogamy) between two compatible homokaryotic strains gives rise to a dikaryotic strain that contains both parental haploid nuclei in similar frequencies. We propose that very close spatial and genetic proximity of nuclei in AM dikaryons can fuel a number of parasexual events. (B) Break-induced replication (BiR) and internuclear genetic exchange. A double-strand break in DNA structure can trigger BIR. The template is used to reconstruct the modified chromosome from the double-strand break region to the end. In AM dikaryons, BIR may occur after a karyogamy event between nuclei of different genotypes or between two nuclei that are replicating through mitosis side by side. In both cases, this repair mechanism would use a homologous chromosome from the opposite parental genome as a template, producing a recombined genotype. (C) Gene conversion by mitotic recombination. A double-strand DNA break can also trigger gene conversion by mitotic recombination between the homologous sequences. To occur in AM dikaryons, the homologous chromosomes of each coexisting nucleotype must have undergone either karyogamy or replication occurring nearby. In a gene conversion event, only part of the DNA is recombined between homologous genomic regions. Mote that an AMF meiosis-specific gene (e.g., Spo7 7 and Rec8) could be involved in these repair processes. (D) TE-mediated gene exchange. TEs can self-replicate and insert themselves into both parental genomes. A gene region that is unique to one parental genome can thus be transferred to the other parental strain, migrating along with the f fan king TE repeats. (Figure created with BioRender.com.) Arbuskulární mykorhiza •Arbuskula (lat. arbuscula = stromeček; angl. arbuscule) –vnitrobuněčná struktura –považována za hlavní místo látkové výměny mezi hostitelem a symbiontem –několikanásobné dichotomické větvení kmenové (trunk) hyfy Þ zvětšení povrchu houby uvnitř kortikální buňky –povrch arbuskuly obalen periarbuskulární membránou –poměrně krátká životnost arbuskulí • • Arbuskulární mykorhiza bigarb Arbuskulární mykorhiza P1180253 Arbuskulární mykorhiza P1180254 Arbuskulární mykorhiza P1180255 Arbuskulární mykorhiza P1180256 Arbuskulární mykorhiza P1180257 Arbuskulární mykorhiza P1180258 Arbuskulární mykorhiza P1180259 Arbuskulární mykorhiza P1120295 Arbuskulární mykorhiza P1120296 Arbuskulární mykorhiza P1120297 Arbuskulární mykorhiza P1120298 Arbuskulární mykorhiza P1120299 Arbuskulární mykorhiza P1120300 Arbuskulární mykorhiza P1100256 lung lung-p plice Arbuskulární mykorhiza •Vezikula (lat. vesicula = měchýřek; angl. vesicle) –vnitrokořenová struktura, vnitro- i mezibuněčná –považována za zásobní strukturu – lipidy –víceméně kulovité rozšíření hyfy, neoddělené od mycelia septem; terminální a interkalární vezikly –vytváří je pouze zástupci podřádu Glomineae, zástupci podřádu Gigasporineae je nevytváří –vezikulo-arbuskulární mykorhiza • Arbuskulární mykorhiza P1120262 Arbuskulární mykorhiza P7192739_new Arbuskulární mykorhiza •hyfy (mycelium), pomocné buňky, spory –vnitrokořenové a mimokořenové mycelium –typicky nepřehrádkované, při kontrakci cytoplazmy z odumírajících částí mycelia se septa vytvářejí –mimokořenové mycelim: auxiliární (pomocné) buňky a BASy (branched absorbing structures) •auxiliární buňky – analog vezikulí? ; pouze u podřádu Gigasporineae; auxiliary vesicles, external vesicles •BAS - struktura analogická arbuskulím? –apresorium (terček): ztloustlá a zpoštěná hyfa v místě penetrace do kořene –nikdy se netvoří rhizomorfy! • Typy sept: Arbuskulární mykorhiza P1120270-73 Vnitrokořenové mycelium Arbuskulární mykorhiza P7182494_2 Vnitrokořenové mycelium Arbuskulární mykorhiza Pb270663_2 Mimokořenové mycelium Arbuskulární mykorhiza PB270643-51_new2 Mimokořenové mycelium Arbuskulární mykorhiza bas_new Mimokořenové mycelium - BAS Arbuskulární mykorhiza auxiliary cells Mimokořenové mycelium – auxiliary cells Arbuskulární mykorhiza P7192845_new Spory (azygospory, chlamydospory) Arbuskulární mykorhiza Image11 Arbuskulární mykorhiza Image13 Arbuskulární mykorhiza • Arbuskulární mykorhiza Je možné na základě morfologie vnitrokořenových struktur určit, jaký taxon houby rostlinu kolonizoval? Arbuskulární mykorhiza ..aby to nebylo tak jednoduché… •…již v r. 1905 francouzský botanik Gallaud rozlišil dva morfotypy AM, Arum a Paris • •Gallaud I. 1905. Études sur les mycorrhizes endophytes. Revue General de Botanique 17: 5-48, 66-83, 123-136, 223-239, 313-325, 425-433, 479-500 • Gallaud poprvé použil termín arbuscule Arbuskulární mykorhiza arum Arum morfotyp • –velké laterální arbuskuly –hyfy šířící se převážně mezibuněčnými prostorami –charakteristické pro rostliny s velkými mezibuněčnými prostorami Arbuskulární mykorhiza Paris morfotyp • –pouze malé arbuskuly, často zcela chybí –hyfy šířící se převážně přímo z buňky do buňky; vytvářejí v nich smyčky (klubíčka, smotky; coils) –charakteristické pro rostliny s malými mezibuněčnými prostorami paris Arbuskulární mykorhiza paris Paris morfotyp AM – Deschampsia flexuosa Arbuskulární mykorhiza Paris-type intracellular coils of Glomus (Rhizophagus) intraradices in cortical cells of a root of Panax quinquifolius, viewed by confocal microscopy. Note absence of intercellular hyphae. Reproduced from Peterson et al. (2004), Arbuskulární mykorhiza Ale… •je skutečně velikost intercelulár hlavním znakem určujícím, jaký morfotyp se vyvine? •vliv ekologických podmínek na velikost intercelulár •hraje roli i druhová identita hostitele nebo symbiotické houby? Arbuskulární mykorhiza •dodnes jsou publikovány články, jejichž základem je zjišťování výskytu toho kterého morfotypu u (planých) rostlin •Arum je typický pro většinu zemědělských plodin – je o něm mnohem více poznatků •Paris se vyskytuje u značné části planých druhů •místa látkových přenosů? „arbuskulocentrismus“ Arbuskulární mykorhiza •Historické srovnání: • –první pozorování arbuskulární mykorrhizy: Nägeli 1842 –detailní popis morfotypů AM: Gallaud 1905 –první umělá kultivace rostlin s AM houbou a zjištění identity AM houby: Mosse 1953 –od ca 2007: molekulárně biologické determinace hub vs. stále nevyřešené otázky ohledně morfotypů – Životní cyklus AM hub • Pages from Mycorrhizal symbiosis 3rd edition (highlighted text)-3 Arbuskulární mykorhiza Růstové reakce rostlin na vytvoření AM •Variations in AM responsiveness of plants •Although positive benefits in terms of plant growth and/or total P uptake are generally highlighted, some plants are apparently unresponsive to AM colonization, even in soil of low P status. An enormously wide range of responsiveness, usually determined in pot experiments in both wild species and crops, is increasingly being recognized and investigated (Wilson and Hartnett, 1998; Klironomos, 2003; Tawaraya, 2003). An example of such variation is shown in Figure 4.6 (Klironomos, 2003). Sixty-four plant species from an old field community in Canada were grown separately with an isolate of Glomus etunicatum from the same site and their growth compared with non-inoculated plants in the same soil. Growth responses in terms of whole-plant biomass varied between the species from 46 to 48%. The data highlight the fact that quite different AM strategies can be present among coexisting plant species. Unfortunately, in this investigation no attempts were made to relate responsiveness to changes in P uptake, root characteristics or variations in fungal colonization in roots or hyphal growth in soil. Understanding why plant species respond differently and the importance of such variation in ecological situations will only come from more detailed analyses. 004 Arbuskulární mykorhiza Pages from Mycorrhizal symbiosis 3rd edition (highlighted text)-4 Arbuskulární mykorhiza Spektrum symbiotických interakcí •Rasmussen and Rasmussen 2009 •pro AM není uvedena kategorie (+,-) tj. mykoheterotrofní AM 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!!!