Fascinantni svijet podzemne komunikacije
Slika 1 : Biljno-mikrobna interakcija u rizosferi. Slika prikazuje tri tipa interakcije: (A) interakcije između biljaka i mikroba koji žive na površini korijena ili njegovoj blizini, potpomognuta topljivim molekulama; (B) interakcije među biljkama i mikrobima koji su udaljeni od korijena, uz pomoć hlapljivih molekula; i (C) interakcije s mikrobima koji žive unutar korijenja, direktno povezani sa korijenovim stanicama. Ove interakcije se događaju u tlu, koje se sastoji od kamenja, zračnih prostora i organske tvari.
Slika 2 : Utjecaj interakcije biljaka i Rhizobium na građu korijena. (A) Normalna građa korijena i početak kemijske komunikacije. Prvo, biljka stvara izoflavone (1), tada Rhizobium reagira stvaranjem nod-faktora (2). (B) Rhizobium kreće prema korijenu i hvata se za korjenovu dlačicu, koja potom mijenja oblik kako bi prigrlila bakteriju i kako bi ona ušla u korijen. (C) Stvaranje korjenove kvržice, odnosno prostora u kojem se bakterija razmnožava, a šećer i dušik izmjenjuju.
Slika 3 : Važni biotički i abiotički faktori koji djeluju na okoliš. Oni imaju utjecaj na rast biljaka i mogu utjecati na kemijsku komunikaciju među biljkama i mikrobima tla. Skica gljive je preuzeta s Flaticon.com.
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
Ako si mikrob u tlu, kako ćeš išta reći svojim susjedima? Pa, u podzemnom svijetu baš i nećeš imati mnogo koristi od poznavanja engleskog, francuskog ili talijanskog jezika. Umjesto govora, morat ćeš se služiti molekulama! Mikrobi tla, poput bakterija i gljivica komuniciraju međusobno, ali i s drugim organizmima, poput životinja ili biljaka, stvarajući različite oblike molekula. Mnogi organizmi koriste takve molekule kao kemijske riječi. Molekule mogu biti hlapljive, što znači da su poput plinova, baš poput onih u zraku. Mogu putovati kroz male zračne prostore u tlu i mogu tako otići prilično daleko. Prava komunikacija na duge staze. Druge pak molekule mogu biti topljive pa će se otopiti u vodi, omogućavajući tako komunikaciju između međusobno bliskih organizama. Organizmi na ovu komunikaciju mogu reagirati na različite načine, npr. mogu brže rasti ili kao odgovor stvarati nove molekule. U ovom članku istražit ćemo zanimljiv I tajanstven svijet podzemne komunikacije i njezine uloge u odnosima između mikroba i biljaka.
ŽIVOT U TLU
Tlo je jedan od najfascinantnijih i najsloženijih ekosustava na Zemlji. To nije samo vanjska površina našeg planeta na kojoj nalazimo biljke, već istovremeno spektakularan i skriven svijet u kojem žive mnoga različita živa bića. Sastoji se od nepravilnih komadića stjena i kamenja, malih zračnih prostora i organske tvari (koju čine uginule biljke i životinje). Ovo okruženje je prekrasno mjesto za život mikroba, kukaca i biljaka. Možeš li vjerovati da je toliko mnogo života u tlu? Ovisno o osobitostima tla (veličini kamenja, vrsti hrane, količini vode itd.) na njemu ćemo naći različite organizme. Različiti organizmi na zajedničkom prostoru stvaraju posebnu i jedinstvenu životnu zajednicu.
A znate li tko su zapravo mikrobi tla? Radi se o vrlo malenim živim bićima koji žive pričvršćeni za čestice tla ili druge organizme. Npr. gljive imaju strukture slične vrlo tankim korjenčićima kojima dodiruju i izmjenjuju informacije sa svojim susjedima. Tu nalazimo i bakterije, organizme čija su tijela građena od samo jedne stanice i možemo ih vidjeti jedino mikroskopom. Ako ovi organizmi žive u rizosferi (tj. dijelu tla koji okružuje biljni korijen) tad ih nazivamo rizosfernim mikrobima. Mogu živjeti i na površini korijena ili unutar njega [1]. U rizosferi je moguće pronaći korisne (dobre) mikrobe, koji biljkama pomažu u preživljavanju i rastu, ali moguće je pronaći i štetne (loše) mikrobe koji napadaju biljke pa one oboljevaju.
KAKO KOMUNICIRAJU MIKROBI TLA S BILJKAMA?
Izuzetno je zanimljiva sposobnost mikroba jer mogu komunicirati međusobno, ali i s drugim organizmima, poput biljaka ili životinja. Upravo komunikaciju između mikroba i biljaka su proučavali i mnogi znanstvenici. Budući da se ova komunikacija temelji na korištenju molekula koje zamjenjuju riječi, naziva se kemijskom komunikacijom. Molekule možete zamisliti kao skupinu koju čini mnogo malenih kuglica (zovemo ih atomi), koji su međusobno povezani. Atomi poput ugljika (C), vodika (H), kisika (O) i dušika su važne kemijske čestice jer povezani zajedno (poput slagalica) stvaraju molekule vode (H2O) ili ugljikovog dioksida (CO2). Specifičnom kombinacijom atoma nastaju molekule različitih svojstava.
Mikrobi tla mogu stvarati različite vrste molekula, koje se mogu podijeliti u dvije glavne kategorije: topljive i hlapljive molekule. Topljive molekule poput kocke šećera ili čestica čaja se otapaju u vodi, i putem vode mogu prenijeti u tlo. One se koriste za komunikaciju s biljkama koje rastu u blizini mikroba.
Hlapljive molekule, poznate kao hlapljive organske čestice (VOCS) koriste se za komunikaciju na velike udaljenosti (Slika 1.) Ove hlapljive čestice su plinovi koji lako putuju kroz zračne pukotine u tlu. Biljno korijenje može osjetiti ove plinove, na isti način na koji naš nos osjeća miris svježe pečenog kruha [1]. Kemijska komunikacija nije jednosmjerna (od mikroba prema biljkama), već dvosmjerna – i biljke mogu stvarati molekule koje mikrobi zatim registriraju.
KOJE UČINKE MOŽEMO UOČITI U KOMUNIKACIJI MOLEKULAMA?
Kroz nekoliko primjera možemo uočiti što se događa između mikroba i biljaka kada međusobno komuniciraju.
Biljke i mikrobi jedni drugima pomažu u pronalasku hrane
Mnogi mikrobi tla mogu pomoći biljkama u njihovom rastu, jer stvaraju hranjive tvari koje trebaju biljkama. Na primjer, bakterija iz roda Rhizobium može pretvarati dušik iz zraka (N2) u novu molekulu – molekulu amonijaka (NH3). Ova pretvorba, nazvana fiksacija dušika, događa se u tlu. Fiksacija dušika je zbilja važna za biljke jer je njima dušik potreban za rast, a jedini način da ga dobiju je putem tla. Pretvorbom dušika u amonijak, Rhizobium pomaže biljkama u rastu i razvoju!
Ono što je možda još zanimljivije je činjenica da Rhizobium može komunicirati sa specifičnom grupom biljaka, poput graha i graška. Kako izgleda ovaj razgovor? Najprije biljke u rizosferu ispuštaju molekule koje zovemo izoflavoni, koji onda privlače Rhizobium. Bakterija “čuje” “govor” biljaka i pribiližava mu se.
Na putu prema biljci, Rhizobium počinje stvarati druge molekule, poznate kao Nod-faktori, koji utječu na stvaranje prostora u korijenu, nazvanog korijenove kvržice u kojima Rhizobium će živjeti. U zamjenu za mjesto za život i hranu (šećer) od biljaka, Rhizobium će biljke opskrbiti obiljem NH3 (Slika 2). Posljedično, biljke na kojima žive Rhizobium-i snažnije rastu. Za oboje, i biljke i Rhizobium zajednički život je prednost, budući da oba organizma imaju više hrane nego da žive odvojeno i zato bolje napreduju [2].
Mikrobi pomažu biljkama u borbi s patogenima i nametnicima
Biotički faktori su živi djelovi okoliša, npr. biljke, životinje i mikrobi (Slika 3). Biotički stres je stres koji doživljava živi organizam, npr. biljka kada je oštećena biotičkim faktorima poput štetnih mikroba, koje zovemo patogeni, ili štetnim kukcima, koje zovemo nametnicima. Korisni mikrobi mogu pomoći biljkama u borbi protiv patogena i nametnika na dva načina. Prvo, mikrobi mogu otjerati patogene/nametnike ili ih usmrtiti. Na primjer, neki korisni mikrobi proizvode hlapljive organske tvari koje zaustavljaju rast patogena ili napad nametnika na biljke. Drugi način na koji korisni mikrobi pomažu biljkama u borbi s patogenima podrazumjeva komunikaciju s biljkom kako bi ona povećala svoju zaštitu. Vjerojatno si i sam bio u situaciji kada ti je mama tijekom zime savjetovala da jedeš naranče jer one sadrže važnu molekulu, vitamin C, kojom pojačavaš svoj imunitet štiteći se od bolesti. Isti mehanizam funkcionira za mikrobe i biljke! Na primjer, bakterija Pseudomonas fluorescens stvara molekule koje pomažu biljkama u boljoj zaštiti od napada patogena [3].
Mikrobi mogu pomoći biljkama u preživljavanju u nepovoljnim područjima
Abiotski faktori su neživi dijelovi okoliša, poput sunčeve svjetlosti, temperature i vode (Slika 3). Abiotski stres je negativan utjecaj takvih faktora na živa bića. Primjeri abiotskog stresa koji mogu oslabiti biljke su slaba dostupnost vode i visoke razine soli. Korisni mikrobi mogu biljkama biti od koristi u teškim životnim uvjetima. Na primjer, bakterija Pseudomonas chlororaphis O6 omogućuje nekim biljkama preživljavanje čak i kada u okolišu nema dovoljno vode [4]. Drugi mikrobi, poput bakterija Bacillus subtilis, pomažu biljkama u preživljavanju u tlu s visokim koncentracijama soli, smanjujući količinu soli koja ulazi u korijen biljaka [5].
KOJA JE VAŽNOST RAZUMIJEVANJA KEMIJSKE KOMUNIKACIJE?
Kemijska komunikacija među mikrobima i drugim organizmima se počela razvijati prije više milijuna godina. Prije četristo pedeset milijuna godina biljke su iz mora prešle na kopno i nastavile živjeti na tlu. Znanstvenici vjeruju da su gljivice iz tla pomogle biljkama u ovom prijelazu. Gljivice su biljkama pomogle u korištenju važnih hranjivih tvari kako bi preživjele [6].
Dakle, prije više milijuna godina, kemijska komunikacija je bila važna za rast i dobrodobit biljaka. U ovom članku, objasnili smo kako interakcije među biljkama i mikrobima osiguravaju biljkama više hrane ili pospješuju borbu protiv patogena ili u nepovoljnom okolišu. Nažalost, ova interakcija je ugrožena! Velikom upotrebom antibiotika, pesticida, poljoprivrednih gnojiva mijenja se tlo i na taj način mijenja zajednica u tlu, uzrokujući smrt jednih, a rast drugih organizama. Promjene u mikrobnoj zajednici mogu imati užasne posljedice za biljke; na primjer, može se dogoditi porast mikroba koji su patogeni!
Ljudska populacija i dalje raste i, budući da je hrana potrebna ljudima za život, morat će se pronaći nove metode pospješivanja rasta biljaka i dostupnosti hrane [2]. Mikrobi se sve više koriste kao prirodni pomagači u biljnom rastu i proizvodnji hrane. Proučavanje komunikacije između mikroba i biljaka je potrebno kako bi se razumjelo koji mikrobi su korisni rastu biljaka. Izuzetno je važno paziti na odgovarajuće mikrobe! Na primjer, možemo pomisliti kako će upotreba gljivice Fusarium culmorum biti dobra ideja, jer pomaže određenim biljkama u rastu u tlima bogatim solima. Ipak, Fusarium culmorum je pogrešan organizam za kukuruz – ova gljivica je patogen! Iz takvih razloga, znanstvenici žele razmjeti što više o kemijskoj komunikaciji, kako bi se povećalo znanje o ovakvom obliku komunikacije, kako bi se povećalo znanje o ekosustavima tla, kako bismo razumjeli u kakvom su međusobnom odnosu organizmi u tim ekosustavima te kako bismo iskoristili interakcije između biljaka i mikroba za povećanje biljnog rasta potrebnog za hranu, a da pritom zaštitimo ekosustav tla.
POJMOVNIK
EKOSUSTAV
Skupina različitih organizama (biljaka, životinja i mikroba) koji su u interakciji s neživom tvari na određenom području.
RIZOSFERA
Uzorak tla okružen korijenjem na kojem biljke i mikrobi međusobno komuniciraju koristeći molekule.
TOPLJIVA TVAR
Tvar koja se otapa u vodi, poput soli ili šećera.
HLAPLJIVA TVAR
Tvar koja lako prelazi u plinovito stanje i postaje plin te se širi zrakom, poput mirisa cvijeta.
VOCS
Hlapljive organske čestice koje stvaraju različiti organizmi, poput biljaka i mikroba, kako bi međusobno komunicirali na udaljenostima.
KEMIJSKA KOMUNIKACIJA
Komunikacija između dva ili više različitih organizama (biljaka, životinja i mikroba) pomoću molekula.
BIOTIČKI FAKTORI
Žive sastavnice okoliša poput biljaka, životinja i mirkroba.
ABIOTIČKI FAKTORI
Nežive sastavnice okoliša poput kamenja, sunčeve svjetlosti i vode.
IZVORI
[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
UREDNIŠTVO: Rémy Beugnon, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany
CITATI: 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
SUKOB INTERESA: Autori potvrđuju da je istraživanje provedeno bez ikakvih komercijalnih ili financijskih veza koje bi se mogle smatrati potencijalnim sukobom interesa.
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). Korištenje, distribucija ili dupliciranje na ostalim forumima je dopuštena, osigurana od strane originalih autora i vlasnika prava potvrđena da je orignalna pubilikacija u ovom članku citirana, u suglasju s prihvaćenom akademskom praksom. Nije dopušteno korištenje, distribucija ili dupliciranje koje ne zadovoljava ove uvjete.
MLADI RECEZENTI
SHASHI PREETHAM, DOB: 13
Bok, zovem se Shashi, imam 13 godina i pohađam Penglais školu. Volim igrati nogomet i košarku. Omiljeni predmeti su mi matematika i informatika. Trenutno pohađam 8. razred. Četverostruki sam Guinness World rekorder u igrici Rocket Leaque i moje ime se nalazi u izdanju Guiness World Record gejmera iz 2018. godine.
AUTORI
CHRISTIANA ARIOTTI
Nedavno sam diplomirala na Sveučilištu u Torinu i stekla diplomu iz Biologije okoliša. Sad sam na doktorskom studiju u Sveučilištu u Torinu gdje proučavam komunikaciju među biljkama i mikrobima tla koji rastu u uvjetima s nedostatkom željeza. U slobodno vrijeme planinarim (živim u blizini Alpa!) i pjevam u zborovima.
ELENA GIULIANO
Nedavno sam diplomirala iz područja Biologije okoliša na Sveučilištu u Torinu. Htjela bih se prijaviti za doktorski studij o znanosti o biljkama. Zanimaju me međuodnosi među biljkama i mikrobima te zaštita bilja od biotičkog i abiotičkog stresa. Volim dijeliti znanje i ideje s ljudima različitih kultura, kao i čitanje i fotografiranje u slobodno vrijeme.
PAOLINA GARBEVA
Voditeljica sam grupe na Odsjeku mikrobiološke ekologije u NIOO u Wageningenu. Fokus mog trenutnog istraživanja je razumijevanje temeljnih mehanizama mikrobioloških kemijskih interakcija i komunikacije.
GIANPIERO VIGANI
Istraživač sam na Sveučilištu u Torinu (Italija). Fokus mog istraživanja je razumijevanje kako biljke uzimaju hranjive tvari i vodu iz tla i kako se pojavljuju međuodosi između biljaka i mikroba pod zemljom. *gianpiero.vigani@unito.it
PRIJEVOD
ŽELJKA MAGDIĆ
FUNDING (TRANSLATION)
The team Translating Soil Biodiversity acknowledges support of the German Centre for integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig funded by the German Research Foundation (DFG FZT 118, 202548816).
