Микоризообразователи
НАЦИОНАЛЬНЫЙ БАНК РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УО «ПОЛЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
РЕФЕРАТ
На тему: Способы инокуляции грибами - микоризообразователи.
подготовила
студентка 1-го курса
преподаватель
ПИНСК 2011
1. Микориза
2. Микориза древесных пород
3. Эндотрофная микориза травянистых и некоторых древесных растений
4. Микориза орхидных
5. Распространение грибов-микоризообразователей в природе
6. Выращивание микоризообразующих грибов
7. Методы инокуляции древесины
8. Литература
Симбиоз корней высшего растения с мицелием грибов, грибокорень. Микориза образуется у большинства видов высших растений различных экологических групп (за исключением водных) и жизненных форм (травянистых, кустарничковых, кустарниковых, древесных), в большинстве случаев - многолетних. У однолетних растений микориза встречается редко. Микориза широко распространена в природе, она отмечена у 70 % видов голосеменных растений и покрытосеменных растений, а также у 60%высших споровых растений. Известно около 200 тыс. видов растений, образующих микоризу.
Многие необходимые растениям элементы, например, некоторые соединения фосфора, кальция, калия, азота, находятся в почве в недоступной для растений форме. И если бы симбиоз грибов и растений не был так широко распространен в природе, растения сильно страдали бы от минерального голода.
Велика роль микоризы и в снабжении растений водой. Особенно важна эта функция в условиях недостаточной влажности, т.н. физиологической сухости и засоленности почв – в холодных таежных и сухих полупустынных и пустынных областях микориза становится практически единственной формой почвенного питания древесных растений.
Микоризные грибы участвуют и в защите растений от патогенных организмов. Есть данные о том, что гибель чистых культур сосны вызывается отсутствием в почвах микоризных грибов и развитием вследствие этого патогенного гриба Trametes radiciperta.
Предоставляя столь многочисленные преимущества растениям, грибы получают от них углеводы, которые из-за отсутствия хлорофилла не способны синтезировать сами.
Свойство высших растений осуществлять питание при участии грибов микоризообразователей называется микотрофностью. Степень микотрофности различных видов растений неодинакова. Высшая степень микотрофности (облигатная микотрофность) характерна для некоторых (особенно бесхлорофилльных) представителей сем. Вересковые и Орхидные. Для многих видов этих семейств микориза необходима, т. к. от нее растение получает все питательные вещества. Без заражения микоризными грибами семена растений этих видов не прорастают или не происходит дальнейшего развития проростков. Для растений других семейств, образующих микоризу, она не является необходимой (факультативная микотрофность).
В зависимости от того, как осуществляется связь между корнями высшего растения и мицелием гриба, различают 3 основных типа микоризы:
эндотрофную,
эктотрофную
эктоэндотрофную (переходный тип).
При эндотрофной микоризе мицелий гриба в основном развивается внутри тканей корня высшего растения и лишь незначительно выходит наружу. Внешний вид корней при этом не изменяется, они имеют нормально развитые корневые волоски. Эндотрофная микориза характерна для травянистых растений и, прежде всего, для всего сем. Орхидные. Травянистые растения образуют микоризу преимущественно с микроскопическими грибами, не образующими плодовых тел.
При эктотрофной микоризе вокруг корней высшего растения образуется наружный плотный чехол из переплетенных гиф гриба. От этого чехла в окружающую почву отходят свободные гифы гриба, корневые волоски на корне в этом случае отсутствуют. Эктотрофная микориза характерна для древесных растений, у травянистых растений она встречается очень редко. В формировании этого типа микоризы, в основном, принимают участие грибы порядка Агариковые.
При эктоэндотрофной микоризе гифы гриба густо оплетают корень высшего растения снаружи, а также глубоко внедряются в его ткани. В полостях клеток тканей корня, оставшихся живыми, образуются клубки и древовидные разветвления гиф (арбускулы), в межклеточных пространствах - их пузыревидные вздутия (везикулы). По мере разрастания внутриклеточного мицелия он частично переваривается растением. Этот тип микоризы широко распространен у древесных растений.
Интенсивность формирования микоризы зависит прежде всего от содержания в почве доступных для растений форм азота, фосфора, калия и степени освещенности местообитаний. Максимальное ее развитие наблюдается при низких концентрациях одного из названных элементов.
Большинство собираемых нами в лесу съедобных грибов относятся именно к микоризообразователям-
Говоря о возможности отнесения того или иного вида гриба к микоризообразователям, следует отметить, что большая их часть либо мобильна в отношении типа питания, либо может образовывать плодовые тела в различных по экологической обстановке условиях. Так, например, обычные в переувлажненных местообитаниях (заболоченные сосняки, березняки, ельники) микоризные грибы – свинушка тонкая, желчный гриб и некоторые другие виды – визуально могут быть отнесены к деревообитающим, так как их плодовые тела встречаются на пнях и кочках. Однако при этом связи между корнями живых деревьев и мицелием грибов не теряются.
Существует немало грибов, способных образовывать плодовые тела как при участии в микоризе, так и без связи с корнями деревьев. В неблагоприятных для деревьев условиях, например, в сфагновых сосняках и березняках, в искусственных лесных насаждениях (лесозащитные полосы в степях, полупустынях) такие грибы, как свинушка тонкая и лаковица, ведут себя как истинные микоризообразователи. А в лесных сообществах с благоприятными для деревьев условиями они меняют тип питания на сапротрофный.
Большинство древесных и кустарниковых растений образует микоризу с мицелием высших (шляпочных) грибов - базидиомицетов. Почва в лесу, особенно вблизи корней деревьев, пронизана мицелием микоризных грибов, и на поверхности почвы часто появляются их многочисленные плодовые тела. Установлена специализация разных видов грибов микоризообразователей.
Часто гриб одного вида может образовывать микоризу только с представителями одного вида или одного рода растения. Другие виды грибов-микоризообразователей могут образовывать микоризу с несколькими или даже многими видами высших растений, в систематическом отношении иногда очень удаленными друг от друга (например хвойными и лиственными). Так, мухомор красный может образовывать микоризу с 26 видами древесных растений из 9 родов (пихта, лиственница, береза, дуб и др.); белый гриб с 27 видами древесных растений из 16 родов(пихта, ель, лиственница, бук, ясень, платан, дуб и др.).
Широта специализации одного и того же вида гриба-микоризообразователя не всегда одинакова в различных частях его ареала. Например, масленок обыкновенный, образующий на большей части своего ареала микоризу только с видами сосен порядка двухвойных, на Южном Сахалине формирует ее с представителями других таксонов.
Многие древесные породы (сосна, ель, бук, береза, лещина и др.) способны образовывать микоризу со многими видами грибов.
Для древесных растений симбиоз с грибами исключительно важен, т. к. он способствует более полному использованию питательных веществ почвы, улучшает рост и ускоряет развитие. В засушливых районах деревья благодаря микоризе лучше снабжаются водой и легче переносят засуху. Наличие микоризы благотворно сказывается на устойчивости древесных растений к различным заболеваниям. Например, сеянцы сосны, имеющие микоризу, менее восприимчивы к корневой губке и инфекционному полеганию всходов. Установлено, что некоторые микоризообразующие грибы выделяют антибиотики, препятствующие проникновению в корни древесных растений возбудителей корневой губки и других заболеваний.
Особенностью микоризных грибов является отсутствие у них гидролитических ферментов, из-за этого они не выдерживают конкуренции с грибами подстилочными сапрофитами, активно разлагающими растительный опад. Грибы-микоризообразователи существуют совместно с корневыми окончаниями деревьев, где черпают необходимые им легкодоступные углеводы, в большом количестве отлагающиеся в корневых окончаниях растений.
Микоризный чехол с отходящими от него грибными гифами существенно увеличивает поверхность всасывания и снабжения растений водой и минеральными элементами. У микоризных растений наблюдается более интенсивный обмен питательными элементами с почвой. В грибном чехле аккумулируются в большом количестве фосфор, азот, кальций, магний, частично железо и калий. Корневая система с микоризой активнее поглощает органические соединения азота.
Микоризные грибы активно воздействуют на минералы почвы различными органическими кислотами - яблочной, гликолевой, щавелевой и другими. Под действием этих кислот активно извлекается калий из силикатов почвы, фосфор из ортоклаза и апатита. Кроме того, грибы-микоризообразователи продуцируют биологически активные вещества - главным образом витамины группы B. Но не все древесные породы нуждаются в микоризе. Некоторые из них не образуют микоризу даже под пологом леса. Другие, имея микоризу в лесу, вне леса могут обходиться без нее. Однако большинство наших древесных и кустарниковых пород все же нуждаются в микоризе. Это дуб, береза, сосна, осина, виды ели, пихты, кедра, лиственницы. В настоящее время грибы-микоризообразователи на этих породах нам известны. Это следующие виды грибов:
На березе: обабок, белый гриб, красный гриб, волнушка, грузди настоящий и черный, виды сыроежек, виды паутинников и рядовок, мухомор красный, толкачик-поплавок.
На осине: подосиновик, сыроежки, груздь осиновый.
На видах ели: масленок настоящий, белый гриб, рыжик, подгруздь желтый, виды сыроежек и паутинников, мухоморы красный и порфировый, дождевик - нутренник.
На видах сосны: белый гриб, польский гриб, масленок настоящий, масленок зернистый, желто-бурый моховик, сыроежка ломкая, рыжик, виды паутинников и рядовок, мухомор красный.
На видах лиственницы: подлиственничный масленок, настоящий масленок, желто-бурый моховик, рыжик, рядовка, паутинник, красный мухомор.
На кедре: маслята, кедровые и сибирские, рыжик.
На пихте: рыжик, лисичка пестрая, паутинник.
Грибы-микоризообразователи полностью зависят от высших растений, с которыми образуют микоризу. Действительно, давно замечено, что появление плодовых тел таких грибов происходит только при наличии растений - симбионтов. Явление это отмечено для сыроежек, паутинников и особенно для трубчатых грибов - белого, подосиновиков, подберезовиков, рыжиков, мухоморов. После вырубки соответствующей древесной породы исчезали и плодовые тела сопутствующих грибов.
Арбускулярная микориза (АМ) является важной и широко распространенной формой растительно-микробного взаимодей-ствия, ее формируют более 80% всех видов наземных растений. Она способствует поглощению растениями минеральных веществ (особенно фосфорных). В свою очередь, растения обеспечивают арбускулярные микоризные грибы углеводами и липидами
8
Процесс развития арбускулярной микоризы можно условно разделить на три этапа: преинфекционные взаимодействия, формирование межклеточного мицелия, развитие внутриклеточ-ных симбиотических структур. На первом этапе споры гриба прорастают в почве и образуют специальные структуры прикрепления – апрессории. На втором этапе из апрессорий внутрь корня начинают расти инфицирующие гифы, проникая через ризодермис в кортекс, где образуют разветвленный мицелий, колонизирующий межклеточные пространства. На третьем этапе в местах тесного контакта мицелия с клетками гифы проникают в клетки кортекса, где образуются арбускулы – разветвленные структуры, глубоко вросшие в растительную клетку и окруженные растительной (периарбускулярной) мембраной и редуцированной клеточной стенкой. Арбускулы являются местами наиболее интенсивного обмена метаболитами у партнеров, в частности, передачи в растение фосфатов, поглощаемых грибом из почвы. При образовании арбускул между стенками растительных клеток и гифами образуется матрикс (апопласт), который содержит полисахариды и ферменты, синтезируемые обоими партнерами. Арбускулы существуют в течение нескольких дней, затем лизируются хозяином, а взамен гифы в кортексе корня образуют новые арбускулы.
При формировании арбускул в растительных клетках наблюдают ряд ультраструктурных изменений: уменьшается или полностью исчезает вакуоль; пластиды деградируют до состояния пропластид; резко возрастает количество α-тубулина. Ядро растительной клетки, содержащей арбускулу, увеличивается в размере и деформируется, а хроматин переходит в диффузное состояние, что говорит о высокой транскрипционной активности. Значительно возрастает количество телец Гольджи и эндоплаз-матического ретикулюма, которые участвуют в формировании периарбускулярной мембраны.
Везикулы, характерные для АМ, – сферические или овальные пузырчатые вздутия в середине или на концах гиф. Формы и размеры везикул сильно варьируют в пределах 25–60 до 120–150 мкм. Они обычно многоядерны, имеют связь с несу-щими их гифами.
Вокруг корня формируется редкая сеть наружного мицелия с гифами диаметром 20–30 мкм, на концах которых образуются крупные покоящиеся споры. Именно за счет этих внешних гиф, выступающих за пределы корня на несколько сантиметров, резко увеличивается площадь поглощения корневой системы, что особенно важно в случае отсутствия корневых волосков у растений, как, например, у кукурузы.
Развитие симбиоза между АМГ и высшими растениями – сложный многоэтапный процесс, включающий в себя узнавание, передачу сигнала и взаимосвязь между грибом и корнями растений. Анализ высших растений с нарушенными функциями по отношению к микоризному взаимодействию может помочь в понимании генетических механизмов развития нормальной микоризы. Микоризация стимулирует синтез ряда белков (микоризи-нов), которые отсутствуют в неинокулированных корнях. Они составляют 4-5% от общего пула белков корней (белки перибак-тероидной и периарбускулярной мембран, некоторые ранние нодулины), которые в небольшом количестве синтезируется в растительных клетках, содержащих арбускулы. Арбускулярная микориза стимулируется липо-хито-олигосахаридными Nod-факторами. При инокуляции корней бобовых АМГ индуцируется синтез литических ферментов, деградирующих олигомеры хитина.
Растение строго контролирует развитие и активность мико-бионта в процессе формирования арбускулярной микоризы. Мицелий эндомикоризного гриба Glomus индуцирует в тканях корня процессы, сходные с реакциями защиты растения от патогенов: модификацию клеточных стенок, синтез фитоалексинов, каллозы, пероксидаз, литических ферментов и патогенрегули-руемых белков. При развитии Glomus интенсивность защитных реакций ниже, чем при патогенезе, они менее продолжительны и более дифференцированы в пространстве и во времени.
8
2. МИКОРИЗА ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД
Для того чтобы нагляднее представить себе, как выглядит внешне микориза корней деревьев, необходимо сравнить вид корневых окончаний с микоризой с видом корней без нее. Корни бересклета бородавчатого, например, лишенные микоризы, скудно ветвятся и одинаковы на всем протяжении в отличие от корней пород, образующих микоризу, у которых сосущие микоризные окончания отличаются от ростовых, не микоризных. Микоризные сосущие окончания или булавовидно вздуваются на кончике у дуба, или образуют очень характерные "вилочки" и сложные комплексы их, напоминающие кораллы, у сосны, или имеют форму кисти у ели. Во всех этих случаях поверхность сосущих окончаний под действием гриба сильно увеличивается. Сделав тонкий срез через микоризное окончание корня, можно убедиться в том, что анатомическая картина бывает еще более разнообразна, т. е. чехол из грибных гиф, оплетающих корневое окончание, может быть разной толщины и окраски, быть гладким или пушистым, состоящим из так плотно переплетенных гиф, что производит впечатление настоящей ткани или, наоборот, быть рыхлым.
Схемы поперечных срезов различных типов микориз:
1 - пушистая микориза сосны;
2 - гладкая микориза сосны;
3 - гладкая микориза дуба;
4 - пушистая микориза березы;
а - чехол; б - сеть Гартига;
в - центральный цилиндр
Бывает, что чехол состоит не из одного слоя, а из двух, отличающихся между собой окраской или строением. В различной степени может быть выражена и так называемая сеть Гартига, т. е. гифы, идущие по межклетникам и образующие в совокупности действительно нечто вроде сети. В разных случаях эта сеть может распространяться на большее или меньшее количество слоев клеток паренхимы корня. Гифы гриба проникают частично и в клетки коровой паренхимы, что особенно хорошо выражено в случае микоризы осины, березы, и частично перевариваются там. Но как бы ни была своеобразна картина внутреннего строения микоризных корней, во всех случаях видно, что гифы гриба совсем не заходят в центральный цилиндр корня и в меристему, т. е. в ту зону корневого окончания, где за счет усиленного деления клеток происходит нарастание корня. Все такие микоризы называются эктоэндотрофными, поскольку у них есть и поверхностный чехол с отходящими от него гифами, и гифы, проходящие внутри ткани корня.
Не у всех пород деревьев имеется микориза таких типов, как описано выше. У клена, например, микориза другая, т. е. гриб не образует наружного чехла, зато в клетках паренхимы можно видеть не отдельно идущие гифы, а целые клубки из гиф, часто заполняющие все пространство клетки. Такая микориза называется эндотрофной (от греч. "эндос" - внутри, и "трофе" - питание) и особенно характерна для орхидных. Внешний вид микоризных окончаний (форма, ветвление, глубина проникновения) определяются породой дерева, а строение и поверхность чехла зависят от вида гриба, образующего микоризу, причем, как выяснилось, микоризу может одновременно образовать не один, а два гриба.
Колбы для выращивания сеянцев в стерильных условиях
Какие же грибы образуют микоризу и с какой породой? Решить этот вопрос было не просто. В разное время предлагались для этого разные методы, вплоть до тщательного прослеживания хода грибных гиф в почве от основания плодового тела до корневого окончания. Самым эффективным методом оказался посев в стерильных условиях определенного вида гриба в почву, на которой был выращен сеянец определенной породы дерева, т. е. когда был осуществлен синтез микоризы в условиях эксперимента. Этот метод был предложен в 1936 г. шведским ученым Е. Мелином, который воспользовался простой камерой, состоящей из двух соединенных друг с другом колб. В одной из них выращивался стерильно сеянец сосны и вносился гриб в виде мицелия, взятого из молодого плодового тела в месте перехода шляпки в ножку, а в другой находилась жидкость для необходимого увлажнения почвы. Впоследствии ученые, продолжившие работы по синтезу микоризы, внесли различные усовершенствования в строение подобного прибора, которые позволяли проводить опыты в более контролируемых условиях и в течение более длительного времени.
Аманиты, или мухоморы, - один из обязательных микоризообразователей
При использовании метода Мелина уже к 1953 г. была экспериментально доказана связь древесных пород с 47 видами грибов из 12 родов. К настоящему времени известно, что микоризы с древесными породами могут образовывать более 600 видов грибов из таких родов, как мухоморы, рядовки, гигрофоры, некоторые млечники (например, грузди), сыроежки и др., причем выяснилось, что каждый может образовать микоризу не с одной, а с различными породами деревьев. В этом отношении все рекорды побил сумчатый гриб, имеющий склероции, ценококкум зерновидный, который в условиях эксперимента образовывал микоризу с 55 видами древесных пород. Наибольшей специализацией характеризуется подлиственничный масленок, образующий микоризу с лиственницей и с кедровой сосной.
Некоторые роды грибов не способны образовывать микоризу - говорушки, коллибии, омфалия и др.
Корень сосны с простыми, вильчатыми и коралловидными микоризами
И все же, несмотря на такую широкую специализацию, воздействие разных грибов-микоризообразователей на высшее растение неодинаково. Так, в микоризе сосны обыкновенной, образованной масленком, поглощение фосфора из труднодоступных соединений происходит лучше, чем тогда, когда в образовании микоризы участвует мухомор. Имеются и другие факты, которые это подтверждают. Это очень важно учитывать в практике и при приеме микоризации древесных пород для их лучшего развития следует подбирать такой гриб для той или иной породы, который бы оказывал на нее наиболее благоприятное воздействие.
Теперь установлено, что гименомицеты-
Эктоэндотрофная микориза дуба: а - чехол; б - внутриклеточная гифа гриба. Эндотрофная микориза клена; гифы гриба и везикулы внутри клеток
Что касается древесных пород, то в высокой степени микотрофными считаются ель, сосна, лиственница, пихта, возможно, большинство и других хвойных, а из лиственных пород - дуб, бук и граб. Слабо микотрофны береза, вяз, лещина, осина, тополь, липа, ивы, ольха, рябина, черемуха. Эти породы деревьев имеют микоризу в типично лесных условиях, а в парках, садах и когда растут в виде отдельных растений могут ее и не иметь. У таких быстрорастущих пород, как тополь и эвкалипт, отсутствие микоризы часто связано с быстрым потреблением ими образующихся углеводов при интенсивном росте, т. е. углеводы не успевают накапливаться в корнях, что является необходимым условием для поселения на них гриба и образования микоризы.
Схема среза эктоэндотрофной микоризы березы: а - чехол;
б - внутриклеточные гифы гриба;
в - переваривание гиф в клетках корня
Каковы же взаимоотношения компонентов в микоризе? Одна из первых гипотез о сущности микоризообразования была предложена в 1900 г. немецким биологом Е. Шталем. Она заключалась в следующем: в почве происходит ожесточенная конкуренция между различными организмами в борьбе за воду и минеральные соли. Особенно сильно она выражена у корней высших растений и мицелия грибов в гумусовых почвах, где грибов обычно много. Те растения, которые обладали мощной корневой системой и хорошей транспирацией, не сильно страдали в условиях такой конкуренции, а те, у которых корневая система была сравнительно слабой, а транспирация пониженной, т. е. растения, не способные успешно насасывать почвенные растворы, вышли из затруднительного положения, образовав микоризу с мощно развитой системой гиф, пронизывающих почву и повышающих поглощающую способность корня. Самое уязвимое место этой гипотезы заключается в том, что не существует прямой зависимости между всасыванием воды и поглощением минеральных солей. Таким образом, быстро поглощающие и быстро испаряющие воду растения не являются самыми вооруженными в конкурентной борьбе за минеральные соли.
Другие гипотезы основывались на способности грибов воздействовать своими ферментами на лигнино-протеиновые комплексы почвы, разрушать их и делать доступными для высших растений. Высказывались также предположения, подтвердившиеся и в дальнейшем, о том, что гриб и растение могут обмениваться ростовыми веществами, витаминами. Грибы как гетеротрофные организмы, нуждающиеся в готовом органическом веществе, получают от высшего растения прежде всего углеводы. Это подтверждалось не только опытами, но и непосредственными наблюдениями. Например, если в лесу деревья растут в сильно затененных местах, степень микоризообразования у них сильно снижена, так как в корнях не успевают накапливаться в должном количестве углеводы. Это же касается и быстрорастущих пород деревьев. Следовательно, в разреженных лесонасаждениях микориза образуется лучше, быстрее и обильнее, а поэтому процесс микоризообразования может улучшаться при проведении рубок ухода.
Введение шведскими учеными Е. Мелином и X. Нильсоном в исследования микоризы метода изотопов дало очень ценные материалы относительно значения микоризообразования для древесных пород. Была выяснена непосредственная передача к дереву через грибные гифы таких важнейших элементов, как фосфор, азот, калий, натрий, кальций и др. У сосны веймутовой, например, наличие микоризы повышало количество поглощенного калия на 75%, азота на 86, а фосфора на 234%. Применение метода изотопов позволило установить, что через грибные гифы, протягивающиеся от одних корней к другим и от одного дерева к другому в пределах одной экосистемы, происходит обмен органическими веществами между отдельными растениями. В дальнейшем было установлено, что некоторые микоризные грибы могут защищать своих партнеров от поражения паразитическими грибами, образуя антибиотики. Некоторые грибы-микоризообразователи оказались способными вызывать у своих партнеров (высших растений) образование так называемых фитоалексинов, повышающих защитные реакции.
