Toprak altındaki büyüleyici iletişim
Figür 1 : Rizosferdeki bitki-mikrop etkileşimi. Üç farklı çeşit etkileşim tipini göstermektedir: (A) Bitki ve kök yüzeyinde veya köke yakın bölgelerde yaşayan mikroplar arasındaki çözünebilir moleküller aracılığıyla gerçekleşen etkileşim; (B) Bitki ve köke uzak bölgelerde yaşayan mikroplar arasındaki uçucu moleküller aracılığıyla gerçekleşen etkileşim; (C) Kök içerisinde yaşayan mikroplar ile direkt olarak köke temas etmek suretiyle gerçekleşen etkileşim. Tüm bu etkileşimler kayaçlar, hava gözenekleri ve organik materyallerin bir birleşimi olan toprak içerisinde gerçekleşmektedir.
Figür 2 : Rhizobium etkileşimlerinin kök yapısı üzerindeki etkileri. (A) Kimyasal iletişimin başlangıcındaki normal kök yapısı. İlk olarak, bitki izoflavonları üretir (1), ardından Rhizobium nod-faktörleri üreterek bitkiye cevap verir (2). (B) Rhizobium köke doğru hareket edip kök tüylerine yapışmak suretiyle kök şeklinde değişikliklere yol açar. Böylelikle kök, bakterileri sararak içeri girebilmelerine olanak tanır. (C) Bakterilerin çoğaldığı ve aynı zamanda bitkilerle şeker ve azot alışverişi yaptıkları yer olan kök nodülünün oluşumu.
Figür 3 : Çevrede etkileşim içerisinde olan önemli biyotik ve abiyotik faktörler. Biyotik ve abiyotik faktörlerin bitki büyümesi üzerinde etkilerinin olmasının yanı sıra bu faktörler bitkiler ile mikroplar arasındaki kimyasal iletişimi de etkileyebilmektedirler. Mantar ikonu Flaticon.com’dan alınmıştır. 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
Eğer toprakta yaşayan bir mikrop olsaydınız, komşularınızla ne şekilde iletişim kurardınız? Bir tüyo vermek gerekirse, Türkçe, İngilizce, Fransızca ya da İtalyanca konuşuyor olmanızın size toprak altında hiçbir fayda sağlamayacağını söyleyebiliriz. Bu şartlar altında komşularınızla iletişim kurmak için kelimeler yerine molekülleri kullanmanız daha doğru bir yol olabilir. Bakteri ve funguslar gibi toprak mikropları kendi aralarında ve hayvanlar veya bitkiler gibi diğer canlılar ile çeşitli moleküller üreterek iletişim kurarlar. Birçok canlı grubu bu molekülleri birer kimyasal sözcük olarak algılayabilir. Bu moleküller, toprak içerisinde bulunan küçük hava gözenekleri boyunca kolaylıkla hareket edebilir, atmosferdeki gazlara benzer şekilde uçucu kimyasallar halinde olabilirler ve bu sayede oldukça uzak noktalara kadar ulaşabilirler. Bu durum topraktaki canlıların, aralarında uzak mesafeler olmasına rağmen iletişimde kalmalarına olanak tanır. Toprak altında iletişim için kullanılan bu moleküller, uçucu tipte olabilmelerinin yanı sıra, birbirlerine yakın olan canlıların iletişim kurmalarına olanak sağlayacak şekilde su içerisinde çözünebilen kimyasallar şeklinde de olabilmektedir. Bu farklı tiplerdeki mesajları algılayan canlılar, daha hızlı büyümek veya bu mesajlara cevap vermek amacıyla farklı moleküller üretmek gibi değişik şekillerde yanıt oluşturabilmektedir. Biz ise bu makalede, toprak altındaki kimyasal iletişimin heyecan verici ve gizemli dünyasına ek olarak, bu iletişimin mikroplar ve bitkiler arasındaki rolünü araştıracağız.
TOPRAKTA YAŞAM
Toprak, gezegenimizde bulunan en büyüleyici ve kompleks ekosistemlerden biridir. Toprak, sadece gezegenimizin dış yüzeyini örten ve bitkilerin tutunduğu bir örtü değildir, aynı zamanda, gözle görülemeyen çok çeşitli canlının da içerisinde yaşadığı, başlı başına olağanüstü bir dünyadır.
Toprak, değişik boyut ve şekillerde bulunan kayaçların, ölü bitki ve hayvanlardan oluşan organik materyallerin ve bunların arasında bulunan hava gözeneklerinin bir araya gelmesiyle oluşur. Toprak, mikrop, böcek ve bitkilerin yaşayabilmesi için harika bir ortam sağlar. Toprağın bu denli hayat dolu olduğuna inanabiliyor musunuz? Toprak, içerisinde barındırdığı kayaç boyutları, içerdiği besinlerin çeşitleri ve su miktarı vb. gibi özelliklerine bağlı olarak, çok çeşitli canlılara ev sahipliği yapabilmektedir. Bu çeşitli canlılar bir araya gelerek birlikte yaşayan canlıların özel bir kümesi olan spesifik bir komünite inşa etmektedir.
Peki, toprak mikroplarının neler olduklarını biliyor musunuz? Toprak mikropları, toprak partiküllerine veya toprakta yaşayan diğer canlılara yapışık bir şekilde yaşamlarını sürdüren oldukça minik canlılardır. Toprakta bulunan funguslar, çok ince kök yapılarına benzer şekillere sahiptir, bu sayede topraktaki komşularına dokunabilmekte ve onlarla bilgi alışverişinde bulunabilmektedirler. Toprak mikroplarının bir diğer üyesi ise bakterilerdir. Bakteriler ise genel olarak tek bir canlı hücreden meydana gelir ve sadece mikroskop altında görülebilirler. Yaşamlarını rizosferde (bitki köklerini çevreleyen toprak bölümü) sürdürmeleri takdirinde, bu canlılara rizosfer mikropları adı verilmektedir. Toprak mikropları rizosferin yanı sıra, bitki köklerinin yüzeyinde veya içerisinde de yaşayabilmektedir [1]. Rizosferde, bitkilerin yaşamasına ve büyümesine yardımcı olan yararlı mikroplar bulunabileceği gibi bitkilere saldıran ve bitkilerin hasta olmalarına yol açan zararlı mikroplar da bulunabilmektedir.
TOPRAK MİKROPLARI VE BİTKİLER NASIL İLETİŞİM KURARLAR?
Bu konuda özellikle heyecan verici olan şey, toprak mikroplarının birbirleriyle iletişim kurabilmelerinin yanı sıra, bitkileri ve hayvanları da içeren diğer canlılar ile de iletişim kurabilme yetenekleridir. Mikroplar ve bitkiler arasındaki iletişim, birçok bilim insanı tarafından araştırılmıştır. Bu iletişim biçimine kimyasal iletişim denir ve kimyasal iletişimde moleküller bir nevi birer kelime gibi kullanılır. Molekülleri, atom olarak adlandırdığımız birçok küçük topun birbirine bağlanarak meydana getirdikleri yapılar şeklinde hayal edebilirsiniz. Örneğin karbon (C), hidrojen (H), oksijen (O) ve azot (N) atomları önemli kimyasal parçalardır, bir yapbozun tamamlanmasına benzer şekilde bir araya gelerek su (H2O) veya karbondioksit (CO2) gibi molekülleri oluşturabilirler. Atomların farklı kombinasyonlarda bir araya gelmesiyle farklı özelliklere sahip moleküller ortaya çıkmaktadır.
Toprak mikropları, çok çeşitli tiplerde moleküller oluşturabilirler. Bu moleküller, çözünebilir ve uçucu moleküller olmak üzere iki ana kategori altında değerlendirilebilir. Çözünebilir moleküller, bir küp şekerin çay içerisinde çözünmesi gibi suda çözünebilir ve su aracılığıyla toprak içerisinde bir noktadan başka bir noktaya ulaşabilirler. Uçucu organik bileşikler (UOB’ler) olarak da bilinen uçucu moleküller ise, uzak mesafeler arasındaki iletişimi sağlamak amacıyla kullanılmaktadır (Figür 1). Uçucu moleküller gaz formunda olduklarından, toprak içerisindeki gözeneklerden kolaylıkla geçebilir ve toprak içerisinde gezinebilirler. Bitki kökleri, tıpkı yağmurdan hemen sonra ıslak toprağın veya fırından yeni çıkan ekmeğin kokusunu alabildiğimiz gibi bu gazların kokusunu alabilmektedir [1]. Kimyasal iletişim, sadece mikroplardan bitkilere doğru tek taraflı değil, bitkilerin de oluşturabildiği bu moleküllerin mikroplar tarafından da algılanması ile çift taraflı gerçekleşmektedir.
İLETİŞİMİ SAĞLAYAN MOLEKÜLLER NASIL ETKİ GÖSTERİR?
Burada, mikroplar ve bitkilerin birbirleri ile konuşmaya başladıklarında nelerin meydana geldiğini gösteren birkaç örnek bulabilirsiniz.
BİTKİ VE MİKROPLAR BESİN ELDESİ KONUSUNDA BİRBİRLERİNE YARDIMCI OLURLAR
Birçok toprak mikrobu, besin alımını kolaylaştırarak bitkilerin büyümelerine yardımcı olur. Örnek vermek gerekirse, Rhizobium olarak bilinen bir bakteri, havadaki azotu (N2), amonyak (NH3) gibi farklı bir moleküle dönüştürme yeteneğine sahiptir. Toprak içerisinde gerçekleşen bu dönüşüm işlemi azot fiksasyonu olarak adlandırılmaktadır. Bitkilerin büyümek için muhakkak azota ihtiyaç duydukları ve azotu topraktan yalnızca NH3 biçiminde alabildikleri düşünüldüğünde, azot fiksasyonu bitkiler için çok önemli bir işlem haline gelmektedir. Böylelikle Rhizobium, N2’yi NH3’e çevirerek bitkilerin büyüme ve güçlenmelerine yardımcı olmaktadır.
Bu konuda daha da enteresan olan şey ise Rhizobium’un fasulye ve bezelye bitkileri de dâhil olmak üzere farklı spesifik bitki grupları ile konuşabilme yeteneğine sahip olmasıdır. Fakat bu diyalog nasıl gerçekleşmektedir? İlk olarak bitki, Rhizobium’un dikkatini çekebilmek amacıyla, rizosfere izoflavonlar adı verilen moleküller salgılar. Bakteriler ise bitkinin moleküller aracılığıyla “konuşmasını duyar” ve bitkiye doğru hareket eder. Rhizobium bitkiye doğru hareket ettiği bu yolculuk esnasında, bitkiye kök nodülleri adı verilen kök içerisindeki boşlukları oluşturmasını “söylemek” amacıyla nod-faktörleri olarak bilinen farklı moleküller üretmeye başlar. Rhizobium bu kök nodülleri içerisinde yaşamını sürdürebilmektedir. Bitkinin kendisine yaşam alanı ve besin (şeker) sağlamasına karşılık olarak Rhizobium, bitkiye bol miktarda NH3 takdim eder (Figür 2). Sonuç olarak bitki, daha fazla büyümek amacıyla Rhizobium’un kendisiyle birlikte yaşamasına izin vermektedir. Bu birliktelik, her iki canlının da yalnız yaşamalarına kıyasla daha fazla besine sahip olmalarına, bu sayede daha efektif bir şekilde büyüyebilmelerine olanak tanır ve her iki canlı için de avantaj sağlar [2].
MİKROPLAR, BİTKİLERİN PATOJEN VE ZARARLI BÖCEKLERDEN KORUNMALARINA YARDIMCI OLUR
Biyotik faktörler, bitkiler, hayvanlar ve mikroplar gibi çevrenin canlı parçalarıdır (Figür 3). Biyotik stres ise patojen adı verilen zararlı mikropların veya zararlı böceklerin bitkilere verebileceği zararlar gibi canlılar tarafından hissedilebilen streslerdir. Yararlı mikroplar, bitkilerin patojen veya zararlı böceklere karşı savaşmasına iki şekilde yardımcı olabilmektedir: İlk olarak yararlı mikroplar patojenleri veya zararlı böcekleri uzaklaştırabilmekte veya öldürebilmektedir. Örneğin bazı yararlı mikroplar, patojenlerin bitkiler üzerinde büyümelerini veya zararlı böceklerin bitkilere karşı saldırılarını durdurabilecek UOB’ler üretebilmektedirler. İkincisi ise yararlı mikroplar, bitkilere defansif yönlerini geliştirmeleri ve bu sayede kendilerini savaşa hazırlamaları konusunda uyarı mesajları verebilmektedir. Muhtemelen anneleriniz de kış ayları boyunca, önemli moleküller, C vitamini ve sizi hastalıktan koruyabilecek bilumum önemli besinler içermelerinden dolayı turunçgiller tüketmeniz konusunda sizleri daha önce uyarmıştır. Mikroplar ve bitkiler arasında gerçekleşen iletişimin de bundan pek farkı yoktur! Örneğin, Pseudomonas fluorescens türü bir bakterinin ürettiği moleküller, bitkilerin patojen saldırılarına karşı daha dirençli olmalarını sağlamaktadır [3].
MİKROPLAR, BİTKİLERİN ZORLU ŞARTLAR ALTINDA DA YAŞAMLARINI SÜRDÜREBİLMELERİNE YARDIMCI OLUR
Abiyotik faktörler ise güneş ışınları, sıcaklık veya su gibi çevrenin canlı olmayan parçalarıdır (Figür 3). Abiyotik stres canlı organizmalar üzerinde negatif bir etkiye sahiptir. Bu duruma örnek olarak, bitkileri zayıf düşüren yetersiz su mevcudiyeti veya topraktaki yüksek tuzluluk örnek verilebilir. Yararlı mikroplar, bitkilerin çetin yaşam koşullarında hayatta kalmalarına yardımcı olabilmektedir. Örneğin, Pseudomonas chlororaphis bakterisi, yeterli su bulunmayan bölgelerde bitkilerin hayatta kalmasını sağlamaktadır [4]. Bacillus subtilis gibi diğer mikroplar ise, yüksek tuz konsantrasyonlarına sahip topraklarda yaşayan bitkilerin köklerine giren tuz miktarını azaltarak bu bitkilerin bu denli zorlu şartlar altında hayatta kalabilmesini sağlamaktadır [5].
KİMYASAL İLETİŞİMİ ANLAMAK NEDEN ÖNEMLİDİR?
Mikroplar ve diğer canlılar arasındaki kimyasal iletişim milyonlarca yıl önce evrimleşmeye başlamıştır. Bundan 450 milyon yıl öncesinde bitkiler denizlerden karaya çıkarak karasal yaşama uyum sağlamışlardır. Bilim insanları, toprak funguslarının bitkilerin karaya çıkışında önemli bir role sahip olduklarına inanmaktadır. Toprak fungusları bitkilerin önemli besinlere ulaşabilmelerini bu sayede karasal yaşamda hayatta kalabilmelerini sağlamıştır [6]. Hasılı, toprak canlıları arasındaki kimyasal iletişim, bitkilerin refahı ve büyümesi açısından milyonlarca yıldır önemini korumaktadır. Bu makalede, bitki-mikrop iletişiminin bitkilere nasıl daha fazla besin sağladığının yanı sıra, bu iletişimin, bitkilerin patojenlere karşı savaşmaları veya zorlu şartlar altında hayatta kalmalarına ne şekilde yardımcı olduğu açıklanmıştır. Ne yazık ki, bu etkileşim günümüzde tehlike altındadır! Tarımda, yüksek seviyede antibiyotik, pestisit ve kimyasal gübre kullanımları, toprağı ve toprakta yaşamlarını sürdüren komünitelerin yapısını değiştirebilmektedir. Aynı zamanda bu süreçte bazı canlıların ölmelerine neden olurken, bazılarının ise hızlıca çoğalmalarına neden olmaktadır. Mikrobiyal komünitelerdeki değişimler bitkiler için yıkıcı etkilere sebep olabilmektedir. Örneğin, hızlıca çoğalan bazı mikroplar bitkiler için patojen hale gelebilmektedir.
İnsan nüfusunun hızlı artışıyla birlikte artan besin ihtiyacı, bitkilerin büyüme yetilerini hızlandıracak ve bu sayede besin üretme kapasitelerinin artmasını sağlayacak yeni yöntemlerin geliştirilmesini elzem kılmaktadır [2]. Mikropların, bitkilerin büyüme ve besin üretme potansiyellerini artırmak amacıyla doğal yardımcılar olarak kullanılması gün geçtikçe popüler hale gelmektedir. Mikrop ve bitkiler arasındaki iletişim hakkında yapılan bilimsel çalışmalar, hangi mikropların bitkilerin büyümesine daha efektif bir şekilde yardımcı olacağını anlamak açısından oldukça önemlidir. Hasılı, doğru mikropları seçebilmek adına bu çalışmalara önem göstermemiz gerekmektedir. Örneğin, Fusarium culmorum’un bu amaçlı kullanımının bitkilerin tuz bakımından zengin ortamlarda yaşayabilmesini sağladığı için iyi bir fikir olacağını düşünebilirsiniz, fakat Fusarium culmorum mısırlar için patojen bir canlı olduğundan mısır tarımında kullanmak için kötü bir seçim olacaktır. Bilim insanları toprak hakkındaki bilgi birikimimizi artırmak, canlıların bu ekosistemler içerisinde nasıl etkileşim gösterdiğini anlamak için çalışmaktadır. Ayrıca araştırmacılar, toprak ekosistemlerini koruyarak bitkilerin besin üretim kapasitelerini artırmak amacıyla bitki-mikrop etkileşimlerini desteklemeyi hedeflemekte, canlılar arasındaki kimyasal iletişimi olabildiğince çok boyutlu bir şekilde anlamak istemektedir.
SÖZLÜK
Ekosistem
Belirli bir alanda, cansız çevre ile etkileşim içerisinde bulunan çeşitli canlı grupları (bitkiler, hayvanlar ve mikroplar).
Rizofer
Bitki ve mikropların molekülleri kullanarak iletişim kurduğu, bitki köklerini çevreleyen toprak bölümü.
Kimyasal iletişim
İki veya daha fazla farklı canlı (bitkiler, hayvanlar ve mikoorganizmalar) arasında moleküller kullanılarak gerçekleştirilen iletişim biçimi.
Çözünebilir
Tuz ve şeker gibi su içerisinde eriyebilen maddeler.
Uçucu
Bitkilerin yaydığı kokular gibi kolaylıkla gaz formuna dönüşüp havada yayılım gösterebilen maddeler.
UOB’ler
Bitki ve mikroplar gibi çeşitli canlı grupları tarafından uzun mesafeler arasında birbirleri ile iletişim kurabilmek amacıyla üretilen uçucu organik bileşikler.
Biyotik faktörler
Bitkiler, hayvanlar ve mikroplar gibi çevrenin canlı bileşenleri.
Abiyotik faktörler
Kayaçlar, güneş ışınları ve su gibi çevrenin canlı olmayan bileşenleri.
REFERANSLAR
[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
EDİTÖR: Rémy Beugnon, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany
Atıf: 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
CONFLICT OF INTEREST: The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.
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). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
GENÇ ELEŞTİRMENLER
SHASHI PREETHAM, YAŞ: 13
Merhaba, ben Shashi. 13 yaşındayım ve Penglais okulunda 8. Sınıf öğrencisiyim. Futbol ve Basketbol oynamaktan keyif alıyorum. En sevdiğim dersler ise Matematik ve Bilgisayar dersleri. Rocket League adlı oyunda dört kez Guiness Dünya Rekoru sahibiyim ve adım 2018 Guinness Dünya Rekoru Oyuncular Sürümü'nde yer almakta.
YAZARLAR
CHRISTIANA ARIOTTI
Yakın zamanda Torino Üniversitesi Çevre Biyolojisi bölümünden mezun oldum. Şu anda ise yine Torino Üniversitesinde doktora öğrencisi olarak devam ediyor ve demir bakımından çorak koşullarda yetişen bitkiler ve toprak mikropları arasındaki iletişimi araştırıyorum. Boş zamanlarımda, dağ tırmanışı yapmayı (Alplere yakın bir yerde yaşıyorum!) ve koroda şarkılar söylemeyi seviyorum.
ELENA GIULIANO
Yakın bir zamanda Torino Üniversitesi Çevre Biyolojisi bölümünden mezun oldum. Botanik bilimi üzerine doktora çalışmaları yapmak istiyorum. Bitki-mikrop etkileşimleri ve bitkilerin biyotik ve abiyotik streslere karşı cevapları konularına ilgiliyim. Bilgi ve fikirlerimi farklı kültürlerden insanlarla paylaşmaktan keyif alıyorum. Boş zamanlarımda ise kitap okumak ve fotoğraflar çekmekten hoşlanırım.
PAOLINA GARBEVA
Wageningen Üniversitesi, Hollanda Ekoloji Enstitüsü, Mikrobiyal Ekoloji bölümünde grup lideriyim. Mikrobiyal kimyasal etkileşim ve iletişim konularının temel mekanizmalarını anlamak üzerine çalışmalar yürütmekteyim.
GIANPIERO VIGANI
Torino Üniversitesinde (İtalya) araştırmacı olarak çalışmaktayım. Araştırmalarım genel olarak, bitkilerin topraktaki besinleri ve suyu nasıl aldığı ve toprak altındaki bitki-mikrop etkileşimlerinin ne şekilde meydana geldiğini anlamaya odaklanmaktadır. *gianpiero.vigani@unito.it
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).
