Fascinantan svet komunikacije ispod zemlje

Slika 1: Interakcije biljaka i mikroorganizama u rizosferi. Na slici su prikazane tri vrste interakcija: (A) Interakcije između biljaka i mikroorganizama koji žive na površini korena ili u njegovoj blizini uz pomoć rastvorljivih molekula; (B) Interakcije između biljaka i mikroorganizama koji žive daleko od korena, uz pomoć isparljivih molekula; i (C) Interakcije sa mikroorganizmima koji žive unutar korena i u direktnom su kontaktu sa ćelijama korena. Ove interakcije se odvijaju u zemljištu koje se sastoji od stena, šupljina ispunjenih vazduhom i organske materije.

Slika 2: Efekti međusobnih odnosa između biljke i bakterije roda Rhizobium na strukturu korena. (A) Normalna struktura korena i početak hemijske komunikacije. Prvo, biljka stvara izoflavone [1], zatim se Rhizobium odaziva tako što napravi faktore za stvaranje čvorova [2]. (B) Rhizobium putuje prema korenu biljke i lepi se za korenske dlačice, koje zatim menjaju svoj oblik da bi „zagrlile“ bakteriju tako da bakterija može da uđe u koren. (C) Formiranje korenske kvržice, koja predstavlja mesto gde se bakterije razmnožavaju i razmenjuju se molekuli šećera i azota.

Slika 3: Važni biotički i abiotički faktori koji međusobno interaguju u prirodi. Oni utiču na rast biljaka i mogu uticati na hemijsku komunikaciju između biljaka i mikroorganizama u zemljištu. Ikonica pečurke je preuzeta sa sajta Flaticon.com.

Hinweis für die Medien: Die von iDiv bereitgestellten Bilder dürfen ausschließlich für die Berichterstattung im Zusammenhang mit dieser Medienmitteilung und unter Angabe des/der Urhebers/in verwendet werden.

Open PDF in new window.

Cristiana Ariotti ¹, Elena Giuliano ¹, Paolina Garbeva ² and Gianpiero Vigani ^1,2*

¹ Odeljenje za fiziologiju biljaka, Departman za prirodne nauke i sistemsku biologiju, Univerzitet u Torinu, Torino, Italija
² Departman za ekologiju mikroorganizama, holandski Institut za ekologiju (NIOO-KNAW), Wageningen, Holandija

Da si mikroorganizam u zemljištu, kako bi se obratio svojim komšijama? Znanje engleskog, francuskog, ili italijanskog ti ne bi puno pomoglo. Umesto toga, morao(la) bi da koristiš molekule kao reči! Zemljišni mikroorganizmi, kao što su bakterije i gljive, komuniciraju međusobno i sa drugim organizmima, uključujući biljke i životinje, stvaranjem različitih vrsta molekula. Mnogi organizmi koriste molekule kao hemijske reči. Ovi molekuli mogu biti isparljivi, što znači da su kao gasovi, upravo kao i vazduh. Oni mogu lako da se kreću kroz male džepove u zemljištu ispunjene vazduhom i da stignu i na veće udaljenosti. To je kao komunikacija na daljinu. Neki molekuli su rastvorljivi u vodi, što omogućava komunikaciju između organizama koji se nalaze jedan blizu drugoga. Organizmi koji primaju signale ovim tipom komunikacije mogu reagovati na različite načine, na primer bržim rastom, ili stvaranjem drugih molekula u odgovoru na primljen signal. U ovom članku ćemo istražiti uzbudljiv i misteriozni svet hemijske komunikacije koja se odvija ispod zemlje i njenu ulogu u međusobnom odnosu između mikroorganizama i biljaka.

ŽIVOT U ZEMLJIŠTU

Zemljište je jedan od najfascinantnijih i najsloženijih ekosistema na Zemlji. Ono nije samo spoljašnja površina naše planete na kojoj rastu biljke, već predstavlja i spektakularan skriveni svet u kome žive mnoge vrste organizama. Zemljište je sastavljeno od komada stena nepravilnog oblika, malih pora ispunjenih vazduhom i organske materije (uvele biljke i uginule životinje). Ovo okruženje je divno mesto za život mikroorganizama, insekata i biljaka. Možeš li da poveruješ da je zemljište tako puno života? U zavisnosti od karakteristika zemljišta (veličine stena, vrste hrane, količine vode itd.), u njemu mogu živeti različiti organizmi. Ti organizmi formiraju specifičnu zajednicu, koja predstavlja jedinstveni skup različitih organizama koji žive zajedno.

Da li znaš šta su zemljišni mikroorganizmi? Oni su veoma sićušni organizmi koji žive vezani za čestice tla ili za druga živa bića. Postoje gljive koje izgledaju kao veoma tanki koreni, što im omogućava da budu u bliskom kontaktu i da razmenjuju informacije sa svojim komšijama. Takođe, postoje i bakterije, koje su jednoćelijski organizmi, koji mogu da se vide samo pomoću mikroskopa. Ako ovi organizmi žive u rizosferi (delu zemljišta koji okružuje koren biljke), nazivaju se mikroorganizmi rizosfere. Oni između ostalog mogu da žive na površini korena ili unutar njega [1]. U rizosferi se mogu naći korisni (dobri) mikroorganizmi, koji pomažu biljkama da prežive i rastu, i štetni (loši) mikroorganizmi koji napadaju biljke i uzrokuju bolesti.

KAKO ZEMLJIŠNI MIKROORGANIZMI I BILJKE KOMUNICIRAJU?

Ono što je posebno uzbudljivo jeste sposobnost zemljišnih mikroorganizama da komuniciraju međusobno, kao i sa drugim organizmima, uključujući biljke i životinje. Komunikaciju između mikroorganizama i biljaka su proučavali mnogi naučnici. Ova komunikacija se zasniva na korišćenju molekula umesto reči i naziva se hemijska komunikacija. Zamisli molekul kao grupu veoma malih loptica (koje nazivamo atomi) koje su međusobno povezane. Atomi ugljenika (C), vodonika (H), kiseonika (O) i azota (N) su važni hemijski delovi koji se spajaju zajedno (kao delovi slagalice) da bi formirali molekule kao što su voda (H₂O) ili ugljen-dioksid (CO₂). Određena kombinacija atoma stvara molekule koji imaju različita svojstva.

Zemljišni mikroorganizmi mogu da stvore razne vrste molekula, koje možemo podeliti u dve glavne grupe: rastvorljivi i isparljivi molekuli. Rastvorljivi molekuli mogu da se rastvore u vodi, kao kocka šećera u čaju, i vodom se prenose kroz zemljište. Oni se koriste za razgovor sa biljkama koje rastu blizu mikroorganizama. Isparljivi molekuli, koje se nazivaju i isparljiva organska jedinjenja (IOJ), koriste se za komunikaciju na velikim udaljenostima (slika 1). Ove isparljive komponente su gasovi koji lako prolaze kroz šupljine u zemljištu ispunjene vazduhom. Korenje biljaka može da „nanjuši“ ove gasove, slično kao što tvoj nos može da oseti miris cveća ili sveže pečenog hleba [1]. Hemijska komunikacija se ne dešava samo u jednom smeru (od mikroorganizama ka biljkama), već dvosmerno – biljke takođe stvaraju molekule koje mikroorganizmi mogu da razumeju.

KOJI SU EFEKTI MOLEKULA KOJI SE KORISTE ZA KOMUNIKACIJU?

Evo nekoliko primera šta se dešava kada mikroorganizmi i biljke počnu da „razgovaraju“.

Biljke i mikroorganizmi pomažu jedni drugima da dođu do hrane

Mnogi mikroorganizmi u zemljištu mogu pomoći biljkama da rastu, tako što pretvaraju neophodne hranljive materije za biljke u dostupnu formu. Na primer, bakterija zvana Rhizobium može da pretvori azot iz vazduha (N₂) u drugi molekul: amonijak (NH₃). Ova transformacija se naziva vezivanje azota (azotofiksacija) i odigrava se u zemljištu. Vezivanje azota je veoma važno za biljke jer im je azot potreban za rast, a mogu ga dobiti samo u obliku NH₃ iz zemljišta. Pretvaranjem azota N₂ iz vazduha, koji je u tom obliku nedostupan biljkama, u dostupnu amonijačnu formu NH₃, Rhizobium pomaže biljkama da rastu i ojačaju!

Ono što je još zanimljivije je da Rhizobium može da razgovara sa određenom grupom biljaka, uključujući pasulj i grašak. Ali kako se ovaj dijalog odvija? Prvo, biljka oslobađa u rizosferu molekule koji se nazivaju izoflavoni, što može privući Rhizobium. Bakterije „čuju“ biljku kako „govori“ i upute se prema njoj. Na putu prema biljci, Rhizobium počinje da proizvodi druge molekule, koji se zovu faktori za stvaranje čvorova, i oni „govore“ biljci da napravi prostor u korenu, koji se naziva korenska kvržica, iliti čvorić, u kome Rhizobium može da živi. U zamenu za obezbeđeno mesto za život i hranu (šećer) koju je dobio od biljke, Rhizobium daje biljci puno NH₃ (Slika 2). Kao rezultat toga, biljke koje dozvoljavaju Rhizobium-u da živi sa njima znatno više rastu. Zajednički život ima prednosti i za biljku i za Rhizobium, jer oba organizma imaju više hrane nego kada žive samostalno, što im omogućava da bolje rastu [2].

Mikroorganizmi mogu pomoći u zaštiti biljaka od patogena i štetočina

Biotički faktori su živi delovi okruženja, kao što su biljke, životinje i mikroorganizmi (Slika 3). Biotički stres je kada neki organizam, na primer biljka, oseća nelagodu jer je povređena dejstvom biotičkih faktora koji mogu biti štetni mikroorganizmi (oni se još zovu patogeni), ili štetni insekti (nazivaju se još i štetočine). Dobri mikroorganizmi mogu pomoći biljkama da se bore protiv patogena i štetočina na dva načina. Prvo, mikroorganizmi mogu odbiti ili ubiti patogena/štetočinu. Na primer, neki dobri mikroorganizmi stvaraju isparljiva organska jedinjenja (IOJ) koja mogu zaustaviti rast patogena ili napad štetočine na biljku. Drugi način na koji dobri mikroorganizmi mogu pomoći biljkama da se bore protiv patogena je taj što biljku mogu naterati da se pripremi za borbu povećavajući njenu spremnost za odbranu. Verovatno ti tvoja mama tokom zime kaže da jedeš pomorandže, jer sadrže važan molekul, vitamin C, koji može ojačati tvoj imunitet i zaštititi te od bolesti. Isti mehanizam važi i kod mikroorganizama i biljaka! Na primer, molekuli koje proizvodi bakterija Pseudomonas fluorescens omogućavaju biljkama da se bolje odupru napadu patogena [3].

Mikroorganizmi mogu pomoći biljkama da prežive u teškim uslovima

Abiotički faktori su neživi delovi okoline i uključuju sunčevu svetlost, temperaturu i vodu (Slika 3). Abiotički stres je negativan uticaj ovih faktora na živi organizam. Primeri abiotičkog stresa koji slabi biljke su mala količina dostupne vode i visok nivo soli. Dobri mikroorganizmi pomažu biljkama da prežive u područjima sa nepovoljnim uslovima životne sredine. Na primer, bakterija Pseudomonas chlororaphis O6 omogućava nekim biljkama da prežive u uslovima kada nema dovoljno vode [4]. Drugi mikroorganizmi, poput bakterije Bacillus subtilis, pomažu biljkama da prežive u zemljištu koje odlikuje visoka koncentracija soli tako što smanjuju količinu soli koja ulazi u korenje biljke [5].

ZAŠTO JE VAŽNO RAZUMEVANJE HEMIJSKE KOMUNIKACIJE?

Hemijska komunikacija između mikroorganizama i drugih organizama počela je da se razvija pre više miliona godina. Pre 450 miliona godina, biljke su napustile more i započele su život na kopnu. Naučnici veruju da su gljive u zemljištu bile prve koje su pomogle biljkama da žive na kopnu. Gljive su pomogle biljkama da iskoriste važne hranljive materije kako bi mogle da prežive [6]. Dakle, milionima godina unazad, hemijska komunikacija između organizama u zemljištu bila je važna za rast i dobrobit biljaka. U ovom članku smo objasnili kako interakcije između biljaka i mikroorganizama mogu obezbediti više hrane biljkama, ili im pomoći da se bore protiv patogena, ili prežive u nepovoljnim uslovima. Nažalost, ove interakcije su ugrožene! Velika upotreba antibiotika, pesticida i đubriva u poljoprivredi može promeniti zemljište i zajednicu organizama u zemljištu, uzrokujući da neki organizmi u zemljištu uginu, a da se drugi se razmnože. Promene u zajednici mikroorganizama mogu imati strašne posledice po biljke; na primer, mikroorganizmi koji se razmnože mogu biti patogeni!

Brojnost ljudske populacije je i dalje u porastu, a pošto je ljudima hrana potrebna da bi preživeli, moraju se pronaći nove metode za povećanje rasta biljaka i proizvodnje hrane [2]. Mikroorganizmi se sve više koriste kao prirodni pomoćnici u poboljšanju rasta biljaka i proizvodnji hrane. Proučavanje komunikacije između mikroorganizama i biljaka je neophodno kako bismo saznali koji mikroorganizmi mogu da se koriste kao pomoćnici za rast biljaka. Moramo obratiti pažnju kako bismo odabrali odgovarajuće mikroorganizme! Na primer, mogli biste pomisliti da bi upotreba gljive Fusarium culmorum bila dobra ideja, jer pomaže određenim biljkama da rastu u nepovoljnim uslovima životne sredine koja su bogata solju (zaslanjena zemljišta). Međutim, Fusarium culmorum je štetan za kukuruz, jer je patogen! Iz ovih razloga, istraživači žele što bolje da razumeju hemijsku komunikaciju, kako bi upotpunili naše znanje o zemljišnim ekosistemima, razumeli međusobni odnos organizama u tim ekosistemima i kako bismo koristili interakcije između biljaka i mikroorganizama za povećanje rasta biljaka koje se koriste za proizvodnju hrane, istovremeno štiteći zemljišne ekosisteme.

REČNIK

Ekosistem
Skup različitih organizama (biljaka, životinja i mikroorganizama), koji uspostavljaju međusobni odnos sa neživom materijom na određenom području.

Rizosfera
Deo zemljišta koji okružuje korenje i u okviru koga biljke i mikroorganizmi međusobno razgovaraju putem molekula.

Hemijska komunikacija
Vid komunikacije između dva ili više različitih organizama (biljaka, životinja i mikroorganizama) korišćenjem molekula.

Rastvorljivost
Osobina supstance koja se rastvara u vodi kao na primer so, ili šećer.

Isparljivost
Osobina supstance koja lako isparava i širi se u vazduhu kao miris cveta

Isparljive organske materije
Različite vrste organizama poput biljaka i mikroorganizama stvaraju isparljive organske materije da bi lakše komunicirali na daljinu.

Biotički faktori
Žive komponente životne sredine, poput biljaka, životinja i mikroorganizama.

Abiotički faktori
Nežive komponente životne sredine, npr. stene, sunčeva svetlost i voda.

LITERATURA

[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

UREDNIK: Rémy Beugnon, nemački centar za integrativna istraživanja biodiverziteta (iDiv), Nemačka

CITIRANJE RADA: 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 izjavljuju da je istraživanje sprovedeno u odsustvu bilo kakvih komercijalnih ili finansijskih odnosa koji bi se mogli protumačiti kao potencijalni sukob interesa.

AUTORSKA PRAVA © 2020 Ariotti, Giuliano, Garbeva i Vigani. Ovo je članak otvorenog pristupa koji se distribuira pod uslovima licence Creative Commons Attribution License (CC BY). Upotreba, distribucija ili reprodukcija na drugim forumima je dozvoljena, pod uslovom da se navedu originalni autor(i) i vlasnik(ci) autorskih prava i da se citira originalni članak u ovom časopisu, u skladu sa prihvaćenom akademskom praksom. Nije dozvoljeno korišćenje, distribucija, ili reprodukcija koja nije u skladu sa ovim uslovima.

MLADI RECENZENT

SHASHI PREETHAM, 13 GODINA
Zdravo, zovem se Shashi, imam 13 godina i idem u Penglais školu. Uživam da igram fudbal i košarku. Moji omiljeni predmeti su matematika i informatika. Trenutno idem u 8. razred. Četiri puta sam upisan u Ginisovu knjigu rekorda u igri koja se zove Rocket League i moje ime se pominje u izdanju Ginisove knjige rekorda za gejmere za 2018.

AUTORI

CHRISTIANA ARIOTTI
Nedavno sam diplomirala biologiju životne sredine na Univerzitetu u Torinu. Sada sam student doktorskih studija na Univerzitetu u Torinu gde proučavam komunikaciju između biljaka i zemljišnih mikroorganizama koji rastu u uslovima nedostatka gvožđa. U slobodno vreme volim da planinarim (živim blizu Alpa!) i pevam u horu.

ELENA GIULIANO
Nedavno sam diplomirala biologiju životne sredine na Univerzitetu u Torinu. Želela bih da upišem doktorske studije iz oblasti botanike. Zanimaju me međusobni odnosi biljaka i mikroorganizama i zaštita biljaka od biotičkog i abiotičkog stresa. Volim da delim znanje i ideje sa ljudima iz različitih kultura, u slobodno vreme uživam u čitanju i fotografisanju.

PAOLINA GARBEVA
Ja sam vođa grupe na Odeljenju za ekologiju mikroorganizama u NIOO u Vageningenu. Fokus mog trenutnog istraživanja je na razumevanju fundamentalnih mehanizama hemijskih interakcija i komunikacije mikroorganizama.

GIANPIERO VIGANI
Ja sam istraživač na Univerzitetu u Torinu (Italija). Fokus mog istraživanja je na razumevanju procesa usvajanja vode i hranljivih materija iz zemljišta od strane biljaka, kao i načini na koje se odvijaju međusobni odnosi između biljaka i mikroorganizama u zemljištu. *gianpiero.vigani@unito.it

PREVODILAC

DRAGANA RAJKOVIĆ
Radi kao naučni saradnik na Institutu za ratarstvo i povrtarstvo u Novom Sadu, Srbija

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).