Raspored mikroorganizama

MIKROORGANIZMI U PRIRODI

• karakteristike mikroorganizama:- adaptacija na raznovrsne uvjete u prirodi- stvaranje odgovarajućih uvjeta za opstanak

• Heterogena priroda fiziološkog karaktera- naseljavaju svaki kutak naše planete – rezultira stvaranjem različitih fizioloških osobina- kosmopoliti (ili čak ubikvisti) – ne znači da se svim.o. mogu nalaziti na svakom mjestu planete

Disperzija mikroorganizama

• aerosolom (MO + čestice prašine)

• prekooceanski transport (aerosolom, pticama, avionima)

= svaka vrsta mikroba može postići veliku disperziju tj. arealrasprostranjenosti

vjetarvoda

Distribucija mikroorganizama

biljkečovjekživotinje

• tlo vrlo heterogena cjelina – mikroorganizmi su sastavni dio pedosfere

• Mikrooorganizmi nisu jednoliko raspoređeni u tlu – dubina, organska tvar tla, tip tla,ekološki uvjeti (vodo zračni odnosi, pH, toplina..), biotički faktori (biljka, čovjek, odnosi među mikroorganizmima)

• u tlu postoje “odjeljci” u kojima je brojnost, aktivnost i struktura mikrobnih zajednica značajno veća odnosno manja

Rasprostranjenost mikroorganizama u tlu

• najveći broj organizama u tlu organotrofi

• kvaliteta i kvantiteta organske tvari značajno utječe na raspored biomase, aktivnosti i raznolikosti mikroorganizama u tlu

izvor organske tvari :

- izlučevine korijena biljke- organski ostaci koji nastaju tijekom rasta biljke i nakon njene smrti- ostaci uginulih životinja i mikroorganizama- humusne tvari

• sastav organske tvari (postotak N, lignin, polifenoli) u tlu nije svuda isti i ovisi o tipu biljke i geografskoj širini

• regionalne razlike utječu na mikrobne zajednice i rasprostranjenost MO

• u tlu 10 – 1000 različitih vrsta MO u gramu tla

• međutim sastav zajednica uvelike varira sa uvjetima na staništu

• Penicillium vrlo čest u umjerenom i hladnom temperaturnom pojasu

• Aspergillus dominira u toplim područjima

• cijanobakterije često u neutralnim i lužnatim tlima, a vrlo rijetko u kiselim

• razlike u optimalnoj temperaturi rasta, pH vrijednosti, supstratu (NH4+) djeluju

selektivno na pojedine vrste nitrifikatora

• transformacijom šume u poljoprivredna tla promjena mikroflore i faune tla

• zagađenja atmosfere nestanak lišajeva i reducirana žetva jestivih gljiva u Evropi; gljive često u zajednici za ektomikorizalnim gljivama koje rastu na korijenu drveća pa se mijenja i njihova brojnost i rasprostranjenost

Rizosfera• Rizosfera - zona tla uz korijen biljke i pod direktnim utjecajem korijena

(Hiltner, 1904)• uključuje i tkivo i samu površinu korijena

ektorizosfera

endorizosfera

rizoplane

Endorizosfera

• višeslojna mikrosredina

• različiti slojevi stanica samog korijena

• epidermalni sloj tkiva biljaka; uključuje korijenove dlačice i kortikalne stanice

Ektorizosfera• sloj tla uz korjenov sustav

• nekoliko milimetara od korjenove površine

Rizoplane

• površina korijena

Rizosfera

• vruća točka (“hot spot”) za kolonizaciju mikroorganizama i njihovu aktivnost

• korijen koji aktivno raste otpušta hranjivo za mikroorganizme u tlu

• ugljikohidrati (izvor C) i amino kiseline (izvor C i N); odmah dostupni MO glavni razlog velikog broja i aktivnosti MO

• količina i sastav otpuštenog organskog materijala određuju prirodu odnosa između biljke i mikroorganizama

• izlučevine korijena ovise o vrsti biljke, fiziološkom stanju (dob, status hranjiva) i abiotičkim uvjetima (temperatura, struktura tla, areacija, sadržaj vode)

Utjecaj biljke na mikroorganizme u rizosferi

• biljka vrlo selektivna

• različite vrste biljaka, ali i različiti dijelovi korijena iste biljke mogu imati sasvim različitu mikrofloru

• produkti otpušteni korijenom mogu biti vrlo specifični za vrstu biljke ili kulture selekcija MO u rizosferi; adaptacija MO na iskorištavanje specifičnog organskog materijala kojeg biljka otpušta

• ostali mehanizmi na kojima korijen biljke utječe na mikrobnu populaciju su kompeticija za hranjivo (biljka-mikrobi; mikrobi-mikrobi) i opskrba čvrstom podlogom za priljubljivanje MO

Utjecaj biljke na mikroorganizme u rizosferi

• velika raznolikost mikrobnih zajednica u rizosferi; dominacija G-(Pseudomonas, Achromobacter) u odnosu na G+ i G varijabilne forme (Bacillus, Arthrobacter)

• arbuskularna mikorizna gljiva Glomus široko rasprostranjena i dolazi kod velikog raspona poljoprivrednih kultura no rotacijom kultura pokazalo se da se vrste tog roda izmjenjuju sa tipom kulture (biljke)

Utjecaj mikroorganizama rizosfere na biljku

• PGPR (plant growth promoting rhizobacteria) asocijativne interakcije bakterija u rihosferi korijena koje imaju pozitivan i poticajan učinak na rast razvoj biljke

• Mehanizam djelovanja još nedovoljno poznat

• Pretpostavka: poboljšana opskrba limitirajućih hraniva i/ili vode, produkcija fitohormona, antagonizam s fitopatogenim mikroorganizmima

Slika: Koristan, štetan ili neutralan utjecaj mikroorganizama rizosfere na rast biljke (Lynch, 1990)

N2 fiksacija

stimulacija rasta

sekrecija enzima

opticajhranjiva

uzimanje vode

stabilizacija tla

prihvaćanje kompeticija

alelopatija

simbioza

infekcija

fitotoksičnost

biokontrola

antibiozagenetička kontrola

rizosferne kompetencijeuključuje

prepoznavanjeregulacijuekspresiju

koristanneutralan ili varijabilanštetan

Mikrobni metaboliti

• širok spektar različitih organskih tvari

1. regulatori rasta biljaka (fitohormoni)2. fitotoksini3. antibiotici4. stabilizatori tla

= nastaju ili u rizosferi ili nastaju u zoni oko rizosfere (npr. na biljnim ostacima) i difundriraju do korijena

Regulatori biljnog rasta

ETILEN (C2H4)

• uzrokuje rano sazrijevanje plodova

• kod riže utječe na razvitak zračnih prostora unutar korteksa (aerenchym) i povećanje areacije korijena

• najčešće se razvija na mjestima razgradnje organske tvari u tlu i difundrira u rizosferu

• akumulira se u tlima zasićenim vodom (nizak redoks potencijal); ograničena difuzija zbog nedostatka poroznosti tla (pore u tlu zasićene vodom)

• u tim uvjetima korijen pod stresom i također producira etilen

Regulatori biljnog rasta

FITOHORMONI

• esencijalna uloga u koordinaciji mnogih procesa (rast i ponašanje) tijekom životnog ciklusa biljke

• potiču produljenje stabljike, mobilizaciju rezervi hrane u sjemenkama, diobu stanica…

• auksin, giberelini, citokinini

• dokazi najčešće na čistim kulturama

• vrlo teško izolirati ove molekule iz rizosfere; inokulacija mikroorganizmima za koje se pretpostavlja da imaju pozitivan efekt dokazana, međutim iako se vjeruje da su to fitohormoni te molekule nisu još u potpunosti okarakterizirane

FITOTOKSINI

• negativan utjecaj na biljku

• toksičnost ovisi o koncentraciji tj. količini

1. organske kiseline (propionska, octena, maslačna…)

2. aromatične kiseline

3. sumporovodik (H2S)

4. cijanidi

5. siderofori

Organske kiseline

• kratki lanci

• produkti fermentacije u vlažnim, vodom zasićenim tlima sa puno anaerobnih mikro područja

• katabolizam inhibiran (odvija se u aerobnim uvjetima) pa dolazi do akumulacije biljnih ostataka u rizosferi

• toksičnost organskih kiselina ovisi o tome koliko je korijen izložen njihovom djelovanju; kompenzacija rastom u područja koja su aerirana i izvan “toksične zone”

• međutim efekt može biti i pozitivan (nedavna istraživanja)

Organske kiseline

• Fe2+ dobro zastupljen u tlu no najčešće u nedostupnoj formi (netopiv) za biljke

• akumulacijom organskih kiselina u tlu smanjuje se pH tla i Fe2+ postaje topiv i dostupan biljkama

• moguća i indirektna promocija rasta biljka kroz inhibiciju biljnih patogena u rizosferi

Aromatične kiseline• različiti spojevi: fenolna, ferulična, vanilna kiselina…

• toksičnije od organskih kiselina, ali rijetko se akumuliraju u tlu u koncentraciji opasnoj po biljku

• najčešće dio biljnih ostataka u tlu; oslobađaju se biotransformacijom (rijetko produkti metabolizma)

• imaju i antimikrobni utjecaj prema biljnim patogenima (najčešće u tkivu biljke, rjeđe u tlu)

• sudjeluju u alelopatskim interakcijama (biomolekule koje proizvodi jedna biljka i koje djeluju pozitivno ili negativno na drugu biljku)

• indirektno djelovanje na dostupnost N: 7 fenolnih spojeva inhibira nitrifikaciju Nitrosomonasa i Nitrobactera u ekstremno niskim koncentracijama

Sumporovodik

• produkcija u tlima zasićenim vodom, niskog redoks potencijala i s manjkom kisika

• obligatni anaerobi, foto- ili kemoautotrofi (Desulfotomacalum, Desulfovibrio, Desulfomonas…)

• nastajanje sumorovodika: sulfat, sulfit, tiosulfat, tetrationat ili sumpor služe kao akceptori elektrona dok kao izvor C služe različite organske molekule

• najčešće se veže sa željezom u netoksični oblik ili se oksidira u neopasan sulfidril ion

• akumulira se u vlažnim, kiselim tlima (rižina polja)

• inhibira respiraciju i djeluje citokrom oksidazni sustav uzrokujući poremećaj u riži poznat kao smeđa ili brončana bolest

Sumporovodik

• produkcija H2S također i u travnjacima

• interakcijom cijanobakterija Oscillatorria spp. i Nostoc sp. sa sulfat reducirajućom bakterijom Desulfovibrio desulfuricans nastaje crni sloj S nekoliko centimetara ispod površine travnjaka (golf tereni na pjeskovitim tlima)

• cijanobakterije započinju proces izlučivanjem polisaharida koji ometaju pokretanje vode i osiguravaju razvoj sulfat reducirajućih bakterija

• užasan smrad povezan sa razvitkom H2S i naposljetku dolazi do odumiranja travnjaka

Cijanidi

• cijanidni anion (CN-) i cijanovodik (HCN)

• nastaje razgradnjom biljnih ostataka ili direktno mikroorganizmima

• nekoliko različitih biljnih bolesti može biti izazvano oslobađanjem cijanida u tkivo biljke (bolest crnog korijena)

Cijanidi

• djelovanje na mikrobne patogene

• Trichoderma aktivno sudjeluju u biokontroli, proizvode HCN na koji su tolerantni

• Pseudomonas fluorescens proizvodi cijanide koji uzrokuju bolest crnog korijena na lucerni

= značajna uloga u biološkim kontrolnim mehanizmima u rizosferi

Bolest crnog korijena na jagodi

Siderofori

• najčešće peptidi (izvanstanični) koji se vežu na netopljivu formu željeza (Fe(OH)3) i transportiraju ga u stanicu

• važni u tlima sa visokim pH u kojima nema dovoljno otopljenog željeza

• niska koncentracija željeza izaziva izlučivanje siderofora u rizosferi i opskrbu biljaka željezom

Antibiotici

• važni faktori u biokontroli

• nakon otkrića penicilina (A. Fleming) antibiotici dobili veliku važnost; važnost u farmaceutskoj industriji

• najčešći antibiotici u rizosferi

- agrocin 84- patulin- gliovirin- pioluteorin- pirolnitrin

Lektini i aglutini

• stanični proteini, najčešće glikoproteini, koji prepoznaju i vežu različite saharide

• lektini se vežu sa receptorima lektina (mono- ili oligosaharidi) na staničnoj stjenci biljke ili mikroorganizma s kojima se povezuju hidrofobnim ili vodikovim vezama

• imaju važnu ulogu u prianjanju za površinu, kolonizaciji vrsta roda Rhizobium, patogenom efektu i biokontroli bolesti

• Rhizobium trifolii posjeduje receptore na staničnoj stjenci koji prepoznaju i vežu se na lektine u djetelini; u sekundarnoj fazi dolazi do povezivanja produkcijom celuloznih mikrofibrlinih niti

Agregacija tla

• agregati u tlu nastaju fizikalnim silama

• stabilizacija agregata ovisi o:

- organskom materijalu (humusne kiseline)- željeznim i aluminij oksidima- česticama gline

= optimiranje fizikalne sredine za rast korijena najčešće kroz kontroludostupnosti vode čime se poboljšava aeracija korijena i minimalizira erozija

Agregacija tla

• bakterije sudjeluju u formiranju mikro agregata: djeluju kao cementni faktori između čestica gline

• gljive hifama povezuju i stabiliziraju agregate

• mehaničko (stanica/čestice tla) ili proizvodnjom izvanstaničnih produkata

• velika važnost mikrobnih polisaharida u povezivanju čestica u tlu

• mikroorganizmi u interakciji s fizikalnim komponentama u rizosferi: promjena fizikalnog stanja u tlu

Enterobacter cloacaeizvanstanični polisaharidi

sljubljivanja čestica tlabolja areacija

stabilnost tla

kontrola dostupnosti vode

areacija korijenasmanjenje

erozivne snage vode

= produkcija stabilizirajućih faktora u rizosferi može imati indirektan efekt na prinos kultura

Enzimi

• više od 50 vrsta enzima aktivnih u tlu

- oksidoreduktaze- hidrolaze- liaze- transferaze

• imobilizirani na česticama gline i humusnom materijalu tvoreći izvanstaničnebiokatalizatore

• zbog velike dostupnosti supstrata u rizosferi enzimatska aktivnost puno veća nego u “čistom” tlu

• osim u razgradnji, enzimi sudjeluju u procesima biokontrole

Enzimi

• aktivnost fosfataza (hidrolaze koje uklanjaju fosfatnu grupu iz različitih makromolekula) mnogo veća u unutrašnjoj nego u vanjskoj rizosferi

• fosfataze najvjerojatnije čine fosfat u mineralnim česticama topivim i dostupnim biljci

• izvanstanični litički enzimi (glukanaze, hitinaze, proteaze) imaju ulogu u biokontroli

• interpretacija enzimatske aktivnosti u tlu otežana zbog kompleksne interakcije između enzima i minerala ili organskih koloida u tlu

• izvanstanični enzimi brzo degradiraju (proteini!)

• vezanje na čestice u tlu može ih učiniti nedostupnima za razgradnju i tako produžiti njihovu aktivnost ili je u potpunosti inhibirati

Broj bakterija na rastućoj udaljenosti od površine korijena

21315-20

23410-15

5415-10

12961-5

111200-1

Broj različitih morfoloških tipova

Učestalost (109 stanica cm -3)Udaljenost od površine (mm)

• kako raste udaljenost od korijena pada broj i raznolikost bakterija

Ostali utjecaji rizosfere (osim opskrba hranjivom)

VODA

• u mnogim tlima rast biljke zaustavlja denitrifikaciju u tlu

• biljka raste i uzima veliku količinu vode: kretanjem prema korijenu voda nosi topive tvari iz “čistog” tla do korijena

• u tlu ostaju velike pore bez vode koje se napune zrakom (O2), a vodom se odnese i supstrat čime nestaju uvjeti za denitrifikaciju

• nasuprost “čistom” tlu denitrifikacija u rizosferi može biti pojačana; anaerobni uvjeti+NO2, NO3 koji dolazi vodom+stimulacija procesa izlučenim C iz korijena

Ostali utjecaji rizosfere (osim opskrba hranjivom)

MINERALIZACIJA ORGANSKE TVARI U TLU

• u suhim uvjetima:

- uklanjanjem vode iz tla smanjuje se intenzitet mineralizacije organske tvari u tlu

• u vlažnim uvjetima:

- dodatak raspoloživog materijala u rizosferu pojačava razgradnju organske tvari u tlu

- biljke uzimaju korijenom hranjivo iz tla (nitrate, fosfate…) pa dolazi do stimulacije mikrobiološke razgradnje kompleksnijih i otpornijih spojeva

Epifitna mikroflora

• mikroorganizmi na površini biljke

• filosfera; MO na lišću biljaka

• intenzitet kolonizacije ovisi o klimatskim faktorima kao i o samoj biljci

• stabljika najčešće kolonizirana algama i lišajevima

• širokolisne vrste sadrže veći broj vrsta nego trave

• lišće otpušta organski C koji mikrobiotakoristi

• filosferna zajednica metabolizira samo 1% asimilata listova

10-20 x 10 6 cm -2površine lista (bakterija)

Kava

2 x 10 6 g -1

(kvasci)Luk

0.1-10 x 10 6 g -1

(bakterija)Trave

1-30 x 10 8 g -1(bakterija)Djetelina

MikroorganizmiBiljka

Spermatosferna mikroflora

• nepatogene mikroorganizme nalazimo između tkiva plodova, stabljike i lišća

• omotač sjemenki prije nego što se oslobodi ploda naseljen mikroorganizmima

• tijekom germinacije i razvoja sjemenki aktivni metabolizam: egzudacijašećera, polimernih aromatskih kiselina; koriste MO

• MO proizvode auksine, vitamine i gibereline koji djeluju povoljno na sjeme ili reduciraju biljne patogene