אנדופיטים של שורשי הצמחים

                           ותרומתם לצמחים המאכסנים 

                                                                         

                                                                               מאת: אלי ספיר                                         

                    

  

תוכן ענינים

   מבוא

 

חיידקים אנדופיטים במבט כללי

 

חיידקים סימביונטים אנדופיטים שמקבעים חנקן

 

                                                                    אורגניזמים לא סימביונטים אשר מקבעים חנקן

 

פטריות אנדופיטיות של  שורשי הצמחים  (Mycorrhizal fungi) 

 

References

 

 

 

     מבוא

  

      יצורים אנדופיטים שמאכלסים תאים של שורשי הצמחים בעלי השפעה עצומה על התפתחותו של הצמח המאכסן וגם על כל משניזון מהצמחים האלה. המיגוון הרחב של האנדופיטים כולל את החיידקים האנדופיטים סימביונטים וניטרלים וגם פטריות שיוצרות קשרים עם שורשי הצמחים. חלק גדול של יצורים אנדופיטים למרות המצאותם בתוך הצמחים אינם גורמים נזק לצמח המאכסן אלה להפך,תורמים להתפתחותו ובכך מהווים אחד הכלים האקולוגים החשובים בעולמינו.

     מאז שנות ה-60 מומחים בחקלאות העריכו שמאגר המזון לא יוכל להתחרות עם גידול באוכלוסיית כדור הארץ. הפתרון שהוצע כדי להגביר יצור חקלאי היה שימוש בדשנים כימים שיספקו מינרלים החיונים לצמחים כגון חנקן וזרחן. אך עם הזמן התברר שלפתרון הזה קיימים שני חיסרונות גדולים. החיסרון הראשון מתמקד בפגיעה באיכות הסביבה ונובע מכך שאחרי הדישון מים ששוטפים את הקרקע שוטפים גם תרכובות חנקן ובינהם יוני ניטראט שגורמים לזיהום מי שתיה . תשטיפים מקרקעות מלאות זרחן, גם הם גורמים נזק סביבתי ועלולים לגרום להיפוקסיה במיקווי מים. בנוסף לכך שהיה ממושכת של חנקן בקרקע יכולה לגרום להיוצרות של תרכובות N2O  כתוצאה מתהליכי ניטריפיקציה ודניטריפיקציה של מיקרואורגניזמים.  N2O ברגע שעולה לאטמוספרה הופך לגז המחזיר קרינה באורכי גל IR וכך גורם להעלת אפקט החממה. החיסרון השני בשימוש בדשנים מתמקד בהבט  הכלכלי של העינין . בעיית הרעב נפוצה בעיקר במדינות העולם השלישי  ומדינות אלה לא יוכלו לעמוד בהוצאות כספיות עבור דשנים כימיקלים די יקרים.

      מהנקודה הזאת הופנתה תשומת ליבם של אנשי חקלאות וחוקרים למיקרואורגניזמים שנמצאים בסביבת הצמחים ובתוכם אשר יכולים להעלות ריכוז המינרלים בצמחים ללא שימוש בדשנים. האספקט החשוב בעינין נבע מכך שנוטריינטים החיונים לצמחים כמו חנקן וזרחן לא נמצאים במחסור בסביבה אלה פשוט קשים להשגה . האנדופיטים של צמחים ובינהם גם אנדופיטים של שורשי הצמחים מהווים מקור חשוב מאוד בהשגת מינרלים אלה ולכן תורמים לצמיחה והתפתחות גידולים חקלאים. השילוב הנכון בין זנים של צמחים ומינים של אנדופיטים  המתישבים עליהם ומקיימים קישרי סימביוזה יכול בהחלט להוות פיתרון מעשי לבעיית היצור החקלאי [1]

   בנוסף להספקת מינרלים החיונים לצמחים חיידקים האנדופיטים מזרזים גידול של צמחים ומגנים עלו מפני פתוגנים ובכך הןפכים לחלק חיוני ובלתי נפרד מהצמח עצמו. 

         חיידקים אנדופיטים במבט כללי

    לפי הגדרה חיידק מוגדר כאנדופיטי אם הוא יכול להיות ממוצה מרקמות פנימיות של הצמח ואינו גורם נזקים לצמח המאכסן. חיידקים שנופלים תחת הגדרה כזאת שייכים לחיידקים ניטרלים או סימביונטים. בין החיידקים האנדופיטים הרוב הדומיננטי הוא חיידקים גראם שלילים.

      אחד המקורות של חיידקים אנדופיטים נמצא בזרעים וב-spermosphere  כשמשם חיידקים עוברים דרך פתח הנביטה  germination slit וכך מתפשטים בכל הצמח. מקור אחר מאוד נפוץ של חיידקים אנדופיטים בא מ-rhizosphere ,אותה שיכבה דקה של קרקע סביב השורשים שמאוכלסת על ידי מיגוון של חיידקים. אופן החדירה של חיידקים אנדופיטים מאוד מגוון . הם חודרים דרך stomata , אזורי חיבור של שורשים משניים,פצעים ברקמות הצמח ושערות השורשים. בחלק מהמיקרים אחרי החדירה של אנדודרמיס חיידקים יכולים להגיע לרקמה וסקולרית. ישנם אורגניזמים נוספים שמסייעים בעקיפין לכניסה של חיידקים אנדופיטים. בין האורגניזמים הללו נמצאים פטריות ותולעים ממערכה nematoda אשר גורמים להיוצרות של פצעים ברקמות של הצמחים. ישנם מינים של חיידקים כגון Azoarcus  ו-Pseudomonas fluorescens אשר לא זקוקים לפצעים ושורשים משניים על מנת לחדור לתוך הצמח ומשתמשים לשם כך באנזימים הידרוליטים. בשלב בו חיידקים אלה נמצאים ליד שיכבת האפידרמיס של הצמח הם מפרישים אנזימים כגון צלולז ופקטינז וכך חודרים לצמח המאכסן.לפי מחקרים שנעשו בנושא נמצא שחיידקים אנדופיטים מווסתים שיחרור של אנזימים ומשתמשים בהם רק כשהם נמצאים בצד החיצוני של הצמח. בניגוד לחיידקים פתוגנים ,חיידקים אנדופיטים אינם משתלטים על כל הצמח ומתרכזים יותר באזורי השורש.

    גידול של חיידקים אנדופיטים בתוך הרקמות של צמח מאכסן דורש הספקה של נוטריינטים חיונים כמו חנקן,זרחן,יונים של אשלגן וכלור שאותם חיידקים מוצאים בחללים אינטרצלולרים. חיידקים אנדופיטים חיים לא לבד בתוך הצמח וחולקים אותו עם אורגניזמים אחרים כגון נגיפים ,חיידקים פתוגנים ופטריות. במהלך החיים המשותפים יתכנו גם מיקרי תחרות על מקורות המזון ואזורי שליטה [10] .

     חיידקים אנדופיטים בהרבה מיקרים תורמים לצמח המאכסן בכך שמתחרים עם חיידקים פתוגנים על נישות בתוך הצמח וכך זוכים לכינוי  biocontrol agents . אחת הדוגמאות לכך ניתן לראות בהרחקת חיידק פתוגני מזן  Azospirillum brasilense  על ידי שני זנים שונים של חיידקים אנדופיטים  Bacillus  ו-Corynebacterium  בניסוי שנעשה בתנאי המעבדה בצמחים של אורז אך בהחלט ממחיש את משמתרחש בטבע  [11] .

 

                                   

   בתמונה 2a רואים את חיידקים של  Azospirillum brasilense בבסיסם של שורשים שניונים. תמונה b מראה  אותם שורשים 15 יום אחרי הכנסת חיידקים אנדופיטים שהצליחו להשתלט על האזור ולדחוק חיידק פתוגני. ניתן לזהות את החיידקים האנדופיטים לפי שלוחות הדבקה סביבם.

  בנוסף להרחקת הפטוגנים משורשי הצמחים המאכסנים ,חיידקים אנדופיטים  גם מעודדים צמיחה של צמח המאכסן. על פי דעה של רוב החוקרים תרומה לגדילה של צמח נובעת מתוספת בהספקת מינרלים נחוצים לצמח על ידי חיידקים אנדופיטים במנגנונים שיתוארו בהמשך ובשיפורים שחיידקים אנדופיטים הכניסו למערכת הובלת המים של צמח המאכסן. בנוסף לכך זנים מסוימים של Pseudomonas , Enterobacter , Staphylococcus ו-Azotobacter מיצרים הורמונים כגון  אטילן,אוקסין וציטוקינים שונים      המעודדים גדילה של צמחים .

        היום כבר ניתן לטפל בזרעים של צמחים עם חיידקים אנדופיטים וכך לגרום לגידול טוב יותר של צמחים בשיטה פרקטית וזולה מבחינה כלכלית.

      

                                                             

חיידקים סימביונטים אנדופיטים שמקבעים חנקן

 סימביוזה בין  rhizobia ו-קטניות.

         אחת הדוגמאות הנחקרות ביותר של סימביוזה בעולם החי הינה סימביוזה בין חיידקי rhizobia וצמחים של קטניות. במהלך הסימביוזה נוצרים אברים חדשים בצמח שנקראים פקעות (nodules) ושם מתבצע קיבוע חנקן מאטמוספרה על ידי  rhizobia . חנקן עובר לצמח ומשמש אותו לבניית חומצות אמינו וחומצות גרעין. חיידקים בתורם מקבלים מהצמח סוכרים שמשמשים להם כמזון.אינטרקציה סימביוטית מתחילה מהרגע בו חיידקים משתלטים על אזור השורש של צמח ומשרים סיבוב של שערות השורש כפי שניתן לראות בתמונה. 

                                                                      

                                               סיבוב שערות השורשים המושרה על ידי חיידקי rhizobium

                                   

 

סיבוב של שערות השורש מלווה באינוגינציה של דופן התא וביצירת אזור הפצע שגדל לאורך שערות השורש.  אזור הפצע מתפתח ל- nodule primordium ומהוה אזור התרבות של  rhizobia . כשפרימורדיה מתפתחת לפקעת, חיידקים משוחררים מאזור הפצע על ידי אנדוציטוזה ומתמינים ל- bacteroids . Bacteroid זאת צורה מאורכת יותר של חיידק אשר עטוף בממברנה  peribacteroid אשר גזורה ממברנה של צמח המאכסן.בצורה הנוכחית חיידקים מסוגלים ליצור אנזים ניטרוגנאז המאפשר להם לבצע קיבוע של חנקן.

         סימביוזה מראה ספציפיות מאוד גבוהה בין rhizobia וצמחים מאכסנים כשגידול והתפתחות של חיידקים ותאי הצמח צריכים להיות מתואמים בהתאם. בשנים האחרונות חוקרים הצליחו להראות שכל שלב בהתפתחות הפקעת מתוכנן גנטית בחיידקים ובצמחים המאכסנים.  חיידקי  rhizobia שמאכסנים שורשים של צמחים מגיבים למולקולות שמשתחררות על ידי צמחים ונקראות  flavonoids . התגובה למולקולות אלה מביאה לאינדוקציה של  nod genes  ,גנים שאחראים לשיחרור סיגנלים הגורמים ליצור פקעות (nod factors) . Nod factors חיונים ליצירת סיבוב של שערות השורש וחדירתם של חיידקי rhizobia דרך פצעים לשורשים של צמח. בנוסף ל-nod factors קיימת שורה של פוליסכרידים המיוצרים על ידי חיידקים אשר אחראים על היוצרות פקעות וסופרסיה של מערכות הגנה בצמח כדי לא למנוע מחיידקים להתבסס בפקעות של שורשים. התקשורת הרחבה בין צמח המאכסן ו- rhizobia מתבטאת גם בעובדה שברגע שצמח חש שהוא נמצא בסביבה עם אחוז גבוה של חנקן ,קיבוע חנקן מופסק על ידי rhizobia .תמונה הבאה מראה סיכום של תקשורת בין צמחי קטניות וחיידקי rhizobia עם מעורבות של פקטורים המשרים היוצרות של פקעות [5] .

 

 

 

 

  תהליך קיבוע חנקן ניתן להציג במשוואה הבאה

                                                                     N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP = 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi

ניתן לראות ששתי מולקולות של אמוניה מתקבלות ממולקולה אחת של גז חנקן כשהמחיר האנרגטי עבור התהליך 16 מולקולות של ATP . תהליך קיבוע מבוצע אך ורק על ידי יצורים פרוקריוטים  אשר משתמשים בקומפלקס אנזימטי הקרוי ניטרוגנאז.אנזים מורכב משני חלבונים כשאחד מהם ברזל וחלבון השני נקרא מוליבדניום הקשור לברזל. ריאקציה עצמה מתחילה כשחנקן נקשר לקומפלקס האנזימתי. במהלך התהליך מתבצע חיזור של חלבון הברזל וחלבון מוליבדניום על ידי פרדוקסין , כשבסופו של דבר אלקטרונים עוברים לחנקן ומתקבלת אמוניה.

         אחת הבעיות הגדולות של קיבוע חנקן בעזרת ניתרוגנאז מהוה חמצן. חמצן גורם לאינאקטיבציה של הקומפלקס בכך שמגיב עם ברזל שמהוה אחד המרכיבים של ניטרוגנאז. חיידקים סימביונטים כגון  rhizobia פיתחו מנגנון המאפשר להם להתגבר על בעיית החמצן. חיידקים אלה מכילים בתוך הפקעות מולקולות של חלבון leghaemoglobin  אשר מוריד בצורה ניכרת הספקה של חמצן לתוך רקמות של פקעות. בתמונה הבאה ניתן לראות פקעות של שורשים עם  leghaemoglobin בתוכם.

 

                               

                                          תמונה המראה פקעות של rhizobia כשחצים מצביעים על leghaemoglobin                                                    

 

         בנוסף ל- rhizobia קיימים עוד מינים של חיידקים סימביוטים אשר יוצרים פקעות בשורשים של מיגוון עצים. בין המינים האלה נמצאת Frankia שזהו חיידק חוטי היוצר ספורות  [12].

 

 

אורגניזמים לא סימביונטים אשר מקבעים חנקן

        ישנם אורגניזמים חופשיים אשר מסוגלים לקבע חנקן ללא תלות באורגניזם אחר אך עדיין להיות מקושרים לצמחים. בין האורגניזמים האלה נמצאים ציאנובקטריה. ציאנובקטריה ביחד עם פטריות וגם חזזיות יוצרות שיכבה קריפטוביוטית אשר שומרת על מים ומהוה קרקע טובה ועשירה במינרלים לגידול של צמחים עילאים. קיבוע חנקן אצל ציאנובקטריה מתרחש באזור של תאים מיוחדים הנקרא הטרוציסט. הטרוציסט מכיל רק אזור פוטוסיסטם I וכך קומפלקס אנזימטי ניטרוגנאז אינו בא במגע עם חמצן ולכן יכול לתפקד כראוי.

         בשיכבה דקה של קרקע ליד השורשים של צמחים אשר נקראת rhizosphere נמצאים מגוון של חיידקים אשר חיים בחופשיות . בינהם נמצאים חיידקים אארובים אשר מקבעים חנקן כמו Azotobacter .היחודיות של אזוטובקטר בכך שהוא מסוגל לסנטז שני טיפוסים חדשים של ניטרוגנאז כשאחד מהם מכיל ולדיום במקום מוליבדניון והשני מורכב רק מברזל.בנוסף לכך אזוטובקטר פיתח מנגנון פיזיאולוגי המאפשר לו לקבע חנקן בנוכחות חמצן. בעזרת מטבוליזם מזורז אזוטובקטר מפתח קצב נשימה גדול וכך דואג שניטרוגנאז יעבוד בסביבה אנארובית.

                                                   

                                      תמונה של Azotobacter

 

 

         בין החיידקים הנוספים שמקבעים חנקן בתנאים אארובים נמצא Azospirillum אשר מתאכסן ב-   rhizosphere של הדגניים . חוץ מקיבוע חנקן הוא גם מייצר גורמי גדילה של צמחים כגון IAA וציטוקינים.

                                                                                             

                                                                              תמונתו של   Azospirillum

                                                                                       

         קיימים גם חיידקים אנארובים שמקבעים חנקן וביהנם  Baccilus ,חיידק אנארובי פקולטטיבי שמתאכסן ליד שערות השורשים. בין החיידקים אנארובים אובליגטורים נמצאים חיידקי  Closstridium . חיידקים אנארובים ב- rhizosphere אשר תורמים להספקת חמצן לצמחים נמצאים במיעוט מכיוון שנוכחותו של חמצן חיונית לשורשי הצמחים  [9] .

 

 

   פטריות אנדופיטיות של  שורשי הצמחים (Mycorrhizal fungi)

         השם הלועזי  Mycorrhiza  מתיחס לשורשים פטרייתים וכולל בתוכו שתי מחלקות גדולות של פטריות. הראשונה נקראת  ectomycorrhizae  וכוללת בתוכה אותם פטריות שחיות בין תאי השורשים או מחוץ להם ב- rhizosphere  . פטריות אלה קשורות בדרך כלל לשורשים של עצים גדולים להם הם מעבירים מינרלים חיונים לגידול. הקבוצה השניה של פטריות נקראת  endomycorrhizae והיא שוכנת בתוך תאי השורשים של צמחים ומהווה  חלק בלתי נפרד מאוכלוסיית אנדופיטים בשורשים. בתוך קבוצת  endomycorrhizae ישנם  arbuscular mycorrhizal (AM) אשר שותפים לסימביוזה עם שורשי הצמחים. פטריות מהקבוצה הזאת נכנסות לתוך תאי השורשים וכך מצליחות להעביר תרכובות פחמן מהצמח אליהם. בתמורה פטריות מפתחות רשת של שלוחות ארוכות שהולכות לקרקע ומהוות בצורה מסויימת אנלוגיה לשורשים של צמחים. שלוחות אלה נקראות  hyphae ותפקידם לספק נוטריינטים כמו חנקן וזרחן לשורשים של צמחים. הסימביוזה של AM אינה ספציפית ומין אחד של פטריות יכול  להיכנס למיגוון מינים של צמחים. 

 

 

                                                                           

                     בתמונה ניתן לזהות שקים קטנים של arbuscular mycorrhizal  בתוך תאי השורש

 

 

         השם arbuscular מתיחס לאברים בצורת עץ שיוצרים שלוחות    hyphae ברגע שמגיעים לקורטקס פנימי של שורשי הצמח [3]  כפי שכבר הוזכר למעלה אחת התרומות החשובות של פטריות AM לשורשים של צמחים היא העברת זרחן מהקרקע לשורש. מ-20 עד 80% מהזרחן בקרקע מופיע בצורתו האורגנית וחלק מופיע בצורת יסוד.הצורה בה זרחן מגיע לשורש היא צורתו היונית כשיון השכיח ביותר בתנאי pH בין 5 ל-6 הוא יון  H2PO4- . הריכוז היוני של זרחן בקרקע מתקרב ל-10μm וזה בערך משנגיש לשורשים של צמחים. 

                           

                                                    ספיגה של זרחן על ידי שורשים של צמחים

 

 

          העברת זרחן בפטריות הינה העברה אקטיבית ומשולבת עם העברת מימנים בצורת symport . העברה של תרכובות פחמן וסוכרים מהצמח לפטריות גם מתרחשת בהעברה אקטיבית בתוך arbuscule .בדומה לניטריפיקציה גם ספיגה של זרחן על ידי פטריות AM הינו תהליך מבוקר ובזמן שריכוז היוני של זרחן בקרקע יורד ,צמח מוציא שורשים נוספים וכך מגדיל שטח הספיגה וגם כמות של פטריות שמתישבות בתוך השורשים. מצד שני ברגע שצמח חש שהוא מכיל כמות מספקת של זרחן ספיגה של זרחן יורדת, חלק מהזרחן הופך לחומר אורגני וחלק מופרש החוצה בצורת יונים. היום סבורים שבדומה לסימביוזה בין קטניות ו-rhizobia ,צמח מתקשר עם פטריה בעזרת flavonoids וחומצות פנוליות. למרות הניסויים הרבים בנושא סוג כזה של תקשורת עוד לא הוכח סופית. תפוצה של פטריות  mycorrhizal פשוט עצומה ויותר מ-90% מצמחי יבשה באים בקשר סימביונטי איתם.[7]

         בנוסף להספקת זרחן לצמחים, לפטריות  mycorrhizal ישנם עוד מספר השפעות חיוביות על הצמחים. אחת מהן זה עמידות בפני יובש שנצפתה בצמחים שהשורשים שלהם היו בסימביוזה עם פטריות. היום חושבים שעמידות כזאת נגרמת עקב ספיגה מוגברת של זרחן על ידי הפטריות שעוזרת לצמחים להיות עמידים ליובש. בנוסף לכך נוכחות של  פטריות mycorrhizal מקנה עמידות כנגד פטוגנים צמחיים בהעמדת מחסום פיזי לחדירתם וגם ביצור אנטיביוטיקה האופינית לפטריות.לספיגה של נוטריינטים ישנן גם תוצאות עקיפות כמו צמיחה יותר מוגברת של צמח ועלייה בהשרדות של הצמח. השפעות חיוביות אלה על צמחים מסבירות שימוש ניכר שנעשה בפטריות mycorrhizal בחקלאות בתקופה האחרונה.

         נוכחות של פטריות AM מגבירה תפוצה של צמחים בנישות אקולוגיות. הדבר נובע ללא ספק מכך שפטריות אלה מגבירים באופן ניכר צמיחה וגידול של צמחים בהספקת מינרלים חיונים לצמחים דרך סימביוזה עם שורשים  [8] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                                  References    

1.Carrol P. Vance  (2001) Symbiotic nitrogen fixation and phosphorus acquisition . Plant nutrition in a world of declining renewable resources. Plant Physiology 127:390-397

2. Graham PH, Vance CP (2000) Nitrogen fixation in perspective: an overview of research and extension needs. Field Crop Res 65:93-106

3. Harrison MJ (1997) The arbuscular mycorrhizal symbiosis: an underground association. Trends Plant Sci 2:54-60

4. Schactman  DP, Reid RJ, Ayling SM  (1998) Regulation of symbiotic root nodule development. Annu Rev Genet 32:33-57

5. Schultze M, Kondorosi A (1998) Regulation of symbiotic root nodule development. Annu Rev Genet 32:33-57

6. Smith SE, Gianinazzi-Pearson V, Koide R, Cairney JWG (1994) Nutrient transport in mycorrhizae:structure,physiology,and consequences for efficiency of the symbiosis. Plant Soil 159:103-113

7. Daniel P. Schachtman, Robert J. Reid (1998) Phosphorus uptake by plants:from soil to cell. Plant Physiol. 116:447-453

8. Marcel G.A. van der Heijden (1998) Mycorrhizal fungal diversity determines plant biodiversity,ecosystem variability and productivity. Nature vol. 396 69-72

9. Yoav Waisel, Amram Eshel, Uzi Kafkafi  (1996) Plant roots the hidden half. Second edition

10. J. Hallman, A. Quadt-Hallmann  (1997) Bacterial endophytes in agricultural crops. Can.J. Microbiol. 43 895-914

11. M.Bacilio-Jimenez, S. Aguilar-Flores  (2001)  Endophytic bacteria in rice seeds inhibit early colonization og roots by Azospirillum brasilense. Soil biology & Biochemistry 33 167-172

Sites

 12. http://commtechlab.msu.edu/sites/dlc-me/zoo/zdrmain.html

 13. http://helios.bto.ed.ac.uk/bto/microbes/nitrogen.htm

 14. http://www.mycorrhiza.com/infoframe1.htm