Биологическая сущность микоризы (стр. 2 из 3)

Третий эксперимент показал, что для обеспечения нормального клубенькового симбиоза, равно как и микоризы(АМ), вполне подходит любой "длинный" вариант гена SYMRK, взятый хоть у бобового растения, образующего СБР, хоть у растения с АР, хоть у вида, вовсе не образующего клубеньков. Для эксперимента были использованы мутантные растения Lotus japonicus, у которых ген SYMRK кодирует нефункциональный белок с испорченным киназным доменом. Эти растения не могут образовывать ни СБР, ни АМ. Им пересаживали гены SYMRK от разных растений, имеющих длинный вариант этого гена: от других бобовых, образующих СБР (люцерны), от актиноризных растений (Datisca glomerata) и, наконец, от бесклубеньковых родственников (настурции Tropaeolum majus). Все эти операции привели к полному восстановлению у мутантного лядвенца АМ и СБР (разумеется, со"своей" бактерией Mesorhizobium).

Четвертый эксперимент показал, что укороченные варианты гена SYMRK достаточны для АМ, но не для клубеньковых симбиозов. Как и в третьем эксперименте, использовали мутантную форму лядвенца японского, не образующую ни АМ, ни СБР. Растениям пересаживали "средний" вариант гена, взятый у помидора, и "короткий" вариант, позаимствованный у риса. В обоих случаях у мутантного лядвенца восстановилась способность к формированию АМ, но не СБР. На основе этих и ряда других экспериментов и наблюдений ученые заключили, что белок SYMRK, по-видимому, необходим для формирования особых внутриклеточных структур— своеобразных "с имбионтоприемников" или "пре-инфекционных нитей" (pre-infection threads), которые впоследствии заселяются симбиотическими бактериями (и тогда их уже называют "инфекционными нитями"). Похожие "симбионтоприемники" образуются в клетках корней и перед принятием грибных симбионтов при формировании АМ (эти структуры называются pre-penetration apparatus). Сходство в строении и механизмах формирования этих "симбионтоприемников", по-видимому, отражает единство генетической программы, отвечающей за формирование всех трех типов внутриклеточного симбиоза: АМ, СБР и АР. Мутации в некоторых "общих генах симбиоза" приводят к нарушению формирования "симбионтоприемников" (SYMRK, конечно, не единственный ген, необходимый для их формирования). Следует подчеркнуть, что "длинная" версия белка SYMRK, очевидно, является необходимым, но недостаточным условием формирования клубеньковых симбиозов. Это видно из того, что такие симбиозы могут формировать не все, а только некоторые обладатели "длинной" версии. По-видимому, растения, образующие клубеньки, должны обладать еще какими-то генетическими особенностями, которые пока не удалось обнаружить.

В целом, однако, полученные результаты убедительно подтверждают гипотезу, согласно которой способность к формированию клубеньковых симбиозов (АР и СБР) развилась на основе древней генетической программы АМ. Ключевое эволюционное событие заключалось в том, что клетки корней приобрели способность реагировать формированием "симбионтоприемников" не только на присутствие симбиотических грибов, но и на близость азотфиксирующих бактерий. Очень похоже, что в основе этого события лежало изменение структуры белка SYMRK, а именно добавление двух новых рецепторных доменов к его внеклеточной части. Оба эти домена могли быть заимствованы у генов других белков, имеющихся в геноме высших растений. Таким образом, возникновение клубеньковых симбиозов— яркий пример формирования новой функции путем модификации генного комплекса, ранее служившего для иных целей. Арбускулы— видоизменения мицелия у грибов - микоризообразователей, аналогичные гаусториям. Являются многократно дихотомически разветвлёнными гифами сложной формы, проникающими в паренхимальные клетки корня. Окружены внутри клетки клеточной плазмалеммой. В арбускулах происходит наиболее интенсивный обмен метаболитами между компонентами микоризы, хотя они и существуют лишь несколько дней (в последствии растворяются). Исследователями считается, что арбускулы образуются под влиянием защитной реакции клеток растения (KatharinaMarkmann и др., 2008)

Рис. 2.3. Морфологические особенности различных типов микоризы (

3. Грибы-симбионты

Микоризные грибы (от греч. mykes - гриб, rhiza - корень) образуют симбиоз с высшими растениями. Микориза - очень интересное и уникальное явление в природе: абсолютно разные по строению и способу жизни организмы объединяются, оказывают друг другу помощь в существовании. Есть хорошая пословица "Леса нет - и гриба нет". Это своеобразное сообщество растений и грибов, которое очень часто отражается в названиях последних (подберезовик, подосиновик), нашло научное обоснование в открытии явления микоризы. Это представляется следующим образом: когда мицелий определенного вида изначально распространяется в почве и на каком-то этапе своего развития встречает мелкие корешки растений определенного вида, то оплетает их своеобразной, невидимой глазом "муфтой", образуя грибной чехлик. Это хорошо и для растения, и для гриба. Растение обеспечивает микоризный гриб углеводами, углекислым газом, а при недостатке - кислородом. В свою очередь гриб участвует в обеспечении растения макро- и микроэлементами, водой. Кроме этого, микоризный гриб предохраняет корни растения от вредных микроорганизмов.

Без микоризы мицелий симбиотических грибов может определенное время существовать в почве, но при этом никогда не будет образовывать плодовых тел. Поэтому в искусственных условиях нельзя получить плодовые тела белого гриба, сыроежковых грибов, мухоморов - все они являются микоризообразователями и без определенной древесной породы не будут плодоносить. В свою очередь растение без своих грибных симбионтов развивается плохо, медленно, легко подвергается заболеваниям и даже может погибнуть. Так, например, сеянцы сосны могут вырасти крепкими и высокими только в том случае, если их корни оплетают определенные виды грибов.

В середине 50-х годов XX в. было принято решение вокруг города Элиста (Калмыкия) насадить зеленое кольцо, чтобы предохранить город от сильных степных ветров. Для этой цели выбрали акацию. Посадили раз - все деревца погибли, посадили второй и третий - все тоже. Обратились к ученым за советом. Когда провели анализы почвы и древесных остатков, то установили, что в почве отсутствовали микоризообразователи акации. Уже на следующий год были высажены новые молодые деревца, которые прижились и начали расти, поскольку предварительно в почву был внесен мицелий соответствующих грибов.

Семена орхидей имеют микроскопически маленькие размеры и не содержат никаких питательных веществ, поэтому могут прорасти только при наличии гриба-симбионта. Ростки орхидных длительное время должны питаться через симбионтов, которые разрушают готовые органические вещества. Вследствие этого орхидные изначально обзаводятся целой свитой микоризных грибов, способных давать им возможность осваивать питательные вещества. Через определенное время симбиоз становится им не нужен и гриб погибает, но не раньше, чем успеет образовать большое количество дозревших спор, которые будут разнесены водой или ветром и вновь вступят в симбиотические отношения с новыми ростками орхидных.

Как видно из вышеприведенных примеров, значение микоризных грибов очень большое: они способствуют росту и успешному развитию древесных, кустарниковых и травянистых растений. К микоризным грибам относится большое количество микромицетов, практически все трубчатые, все сыроежковые и около 35 % всех пластинчатых грибов. Поэтому каждый, кто бывает в лесу, не должен уничтожать неизвестные ему и даже ядовитые грибы, поскольку они нужны самому лесу и его жителям ( Мухин и др., 1976).

4. Типы микоризы

Различают Микориза эктотрофную (наружную), при которой гриб оплетает покровную ткань окончаний молодых корней и проникает в межклетники самых наружных слоев коры, и эндотрофную (внутреннюю), которая характеризуется внедрением мицелия (гиф гриба) внутрь клеток. Эктотрофная Микориза характерна для многих деревьев (дуб, ель, сосна, берёза), кустарников (ива), некоторых кустарничков (дриада) и травянистых растений (гречиха живородящая). Молодые корни этих растений обычно ветвятся, окончания их утолщаются, растущая часть корней окутывается толстым плотным грибным чехлом, от которого в почву и по межклетникам в корень на глубину одного или несколько слоев коры отходят гифы гриба, образуя т. н. сеть Гартига; корневые волоски при этом отмирают (эуэктотрофный тип Микориза). У кустарничка арктоуса арктического и травянистого растения грушанки крупноцветковой гифы гриба проникают не только в межклетники, но и в клетки коры (эктоэндотрофный тип Микориза). Эктотрофные Микориза образуют чаще гименомицеты (роды Boletus, Lactarius, Russula, Amanita и др.), реже - гастеромицеты. В образовании Микориза на корнях одного растения может участвовать не один, а несколько видов грибов. Однако, как правило, в растительных сообществах встречаются лишь определённые грибы-микоризообразователи - симбионты данных видов растений.

При развитии эндотрофной Микориза форма корней не меняется, корневые волоски обычно не отмирают, грибной чехол и "сеть Гартига" не образуются; гифы гриба проникают внутрь клеток коровой паренхимы. У растений семейства вересковых, грушанковых, брусничных и шикшевых гифы гриба в клетках образуют клубки, позднее перевариваемые растением (эрикоидный тип Микориза). В образовании Микориза такого типа участвуют фикомицеты (роды Endogone, Pythium). У растений семейства орхидных гифы гриба из почвы проникают в семя, образуя клубки, перевариваемые затем клетками семени. Из грибов такой тип Микориза свойствен несовершенным (род Rhizoctonia) и реже - базидиальным (род Armillaria и др.). Наиболее распространён в природе - у многих однолетних и многолетних трав, кустарников и деревьев самых различных семейств - фикомицетный тип Микориза, при котором гифы гриба пронизывают насквозь клетки эпидермиса корня, локализуясь в межклетниках и клетках средних слоев коровой паренхимы.