Ukryci sprzymierzeńcy

Wszędobylskie mikroorganizmy zasiedlają wiele środowisk, w tym inne organizmy, np. rośliny. Jeśli atak na-jeźdźcy jest agresywny, roślina zaczyna się zajadle bronić. W skrajnych przypadkach gospodarz może nawet dokonać amputacji zarażonych organów i zrzucić zajęte liście, nim choroba rozniesie się na inne tkanki. Ale nie-zbyt nasilony szturm wywołuje słabszą reakcję, co pozwala obojgu organizmom trwać razem przez długi czas. Takie mikroorganizmy nazywamy wtedy endofitami. Mogą to być bakterie, archeony, grzyby, pierwotniaki i mikro-glony. Zamieszkują one zarówno rośliny zielne, jak i drzewa, paprocie, morskie makroglony (np. w brunatnicach i krasnorostach znaleziono liczne grzyby), a nawet porosty. Szacuje się, że samych grzybów endofitycznych jest około miliona gatunków, czyli średnio po cztery gatunki na każdy znany gatunek roślin. W praktyce z jednego drzewa izoluje się po kilkadziesiąt gatunków endofitów, a czasami liczba ta przekracza sto. Endofity dostają się do tkanek gospodarza przez wszelkie otwory (np. aparaty szparkowe służące do wymiany gazowej), zwykle nie wni-kają jednak do wnętrza komórek, tylko zajmują przestrzenie między nimi, nadtrawiając ściany komórkowe lub ży-wiąc się tym, co komórki wydzielą do najbliższego otoczenia.

Mniej więcej jedna trzecia poznanych endofitów nie wywołuje u roślin widocznych zmian (wiele z nich że-ruje dopiero na szczątkach obumarłego gospodarza). Bywa, że jest to kwestia mutacji w genomie patogenu, gdyż czasem zmiana w zaledwie jednym genie może obniżać zjadliwość mikroorganizmu. Tyle samo endofitów wpływa negatywnie na wzrost gospodarza. Dzieje się tak, jeśli patogeny trafią np. na nieodpowiedni gatunek albo muszą namnożyć się w tkankach rośliny, by rozpocząć wydajną „konsumpcję” i przy tym nie zginąć. Jedna trzecia endo-fitów okazuje się pożyteczna dla roślin. W niektórych przypadkach obserwuje się nawet adaptacje wskazujące na prawdziwe partnerstwo pomiędzy organizmami.

Gdzie dwóch się bije…

Żerujące na roślinach owady czasem mogą nieoczekiwanie przypłacić swój posiłek śmiercią wskutek obec-ności w pożywieniu produkujących toksyny bakterii i grzybów. Nawet większe zwierzęta mogą w ten sposób ucierpieć. Trucizny produkowane przez spokrewnione z buławinką czerwoną grzyby Epichloë coenophia-la i Epichloë lolii, jak ergowalina i lolitrem B, były przyczyną zatruć bydła pasącego się na łąkach poro-śniętych kostrzewą trzcinową i życicą trwałą, zatem jednymi z najpospolitszych traw, występującymi licznie także w Polsce. Czasami wystarczy zaledwie 10 dni pobytu na zainfekowanym pastwisku, aby pojawiły się pierwsze symptomy – puchnięcie nóg, drżenie mięśni czy biegunka. Silniejsze długotrwałe zatrucia prowadzą do gangre-ny peryferyjnych części ciała (szczególnie w chłodniejszej porze roku, a zatem długo po odstawieniu zakażone-go pokarmu), powodując degenerację języka, a nawet odpadanie ogonów czy uszu. Ale działanie ergowaliny jest bardziej złożone, gdyż zaburza odpowiedź na hormony – hamuje laktację oraz osłabia działanie progesteronu, mogąc prowadzić do poronień. Negatywnie wpływa też na termoregulację i pracę nerek. Pozostaje aktywna także w paszach z przetworzonego siana, stwarzając tym większe zagrożenie dla gospodarki człowieka. Endofityczne grzyby bywają niebezpieczne dla organizmu człowieka – Fusarium verticillioides to toksyczny endofit ku-kurydzy, a jego relacja z gospodarzem pozostaje na tyle złożona, że grzyb infekuje też nasiona, czyniąc je nie tylko niezdatnymi do spożycia, ale także rozprzestrzeniając się wraz z rośliną z pokolenia na pokolenie.

Niektóre endofity (najczęściej bakterie i grzyby) spotkamy w roślinach, bo przyczajają się tam na docelo-wego żywiciela, jak przejmujące kontrolę nad zachowaniem swojej ofiary maczużniki. Owady zjadają takie rośliny wraz z nieulegającym strawieniu grzybem, który zaczyna się rozrastać i żywcem pożerać ich narządy, zastępując wolną przestrzeń własnymi tkankami. Kradnie on też składniki odżywcze zawarte we „krwi” owada oraz utrudnia jej cyrkulację. Dla owadów gwoździem do trumny są liczne toksyny produkowane przez maczużniki. Po śmierci żywiciela ukryty w jego egzoszkielecie grzyb może wiele lat czekać na sprzyjające warunki, by rozsadzić chityno-wy pancerzyk i uwolnić zarodniki.

Niebezpieczeństwo czyha także na pozornie bezpieczne w swych fortecach galasówki. Larwy tych przy-pominających maleńkie osy owadów zabezpieczają się na czas żerowania, wydzielając substancje powodujące rozrost tkanek liścia i formowanie się na liściu narośli, tzw. galasów. Ale ok. 12% wszystkich galasów zasiedlają endofityczne grzyby, pożywiające się nimi i przy okazji zabijające larwę. Co ciekawe, nie przechodzą one do zdrowych tkanek. W roślinach gnieździ się też Bacillus thuringiensis, zazwyczaj glebowa bakteria znana dzięki temu, że jej gen kodujący białko toksyczne dla gąsienic motyli wprowadzono do genomu kukurydzy, two-rząc w ten sposób odmianę zabezpieczoną przed szkodnikiem upraw – omacnicą prosowianką. Opryski z tej bak-terii są szeroko stosowane jako ekologiczna metoda ochrony roślin.

Endofity bronią też swojego terytorium przed innymi mikroorganizmami, zabezpieczając roślinę produko-wanymi przez siebie antybiotykami, fungicydami, a także enzymami, np. chitynazą, która trawi ścianę komórkową patogennych grzybów, spowalniając ich wzrost. Dodatkowo sama obecność endofitów działa na roślinę drażnią-co, stymulując jej układ odpornościowy, a tym samym zabezpieczając ją przed atakiem innych mikroorgani-zmów.

Supermoce

Dichanthelium lanuginosum jest niczym niewyróżniającą się trawą, ale obecność grzyba Curvularia protuberata daje jej nieoczekiwaną wytrzymałość na wysokie temperatury – przeżywa nawet wtedy, gdy temperatura gleby stale utrzymuje się w granicach 38–46°C, może zatem żyć w bezpośrednim sąsiedztwie gorących źródeł Parku Narodowego Yellowstone, gdzie żadne inne rośliny nie przetrwają. Podobnie dzieje się w przypadku trawy Leymus mollis. Jej tolerancja na zasolenie jest efektem obecności grzyba Fusarium culmorum. Chociaż wciąż nie wiadomo, jaki jest mechanizm tych adaptacji.

Wiele endofitów zasiedla korzenie roślin, co ułatwia im fakt, że kamienie i szorstka gleba łatwo ocierają i ka-leczą tkanki. Wiele z „dodatkowych” bakterii wydziela substancje ułatwiające pobieranie cennego dla roślin żela-za z gleby. Jeszcze większe korzyści rośliny odnoszą z obecności bakterii i sinic wiążących azot atmosferyczny. Uważa się, że dzięki Acetobacter diazotrophicus niektóre brazylijskie plantacje trzciny cukrowej nie wyma-gają nawożenia już od ponad stu lat.

Dodatkowo wiele endofitów wytwarza regulatory wzrostu roślin, nie tylko zwiększając liczbę ich pędów i biomasę, ale także nasilając działanie mechanizmów chroniących przed suszą. Piriformospora indica podwyższa tolerancję na zasolenie podłoża w przypadku jęczmienia. Powoduje też wzmożoną tolerancję ryżu na toksyczne stężenia jonów arsenu i obniża jego akumulację w tkankach tej rośliny. Znane są również endofity warunkujące tolerancję na związki metali ciężkich.

Kopalnia nowych biotechnologii

Endofity można także wykorzystać jako nawozy oraz biostymulanty. Dlatego tak drobiazgowo bada się, jakie organizmy występują w zbożach. Dzikie zboża są ich prawdziwą skarbnicą, ale już np. uprawne odmiany pszeni-cy w wyniku wieloletniej selekcji oraz chemizacji rolnictwa stały się stosunkowo ubogie w endofityczną florę. Inte-resujące jest wykorzystanie endofitów jako biopestycydów – szczepy toksyczne dla owadów, lecz bezpieczne dla kręgowców już udało się wyizolować. Prowadzi się też prace nad zastosowaniem w ochronie roślin oprysków z zarodników.

Mikroorganizmy uzyskane z roślin rozwijających się na zanieczyszczonych obszarach okazały się zdolne do wydajnej utylizacji toksycznych lub uciążliwych dla środowiska związków organicznych (fenolu, benzyny i oleju napędowego). Endofity przeważnie bez problemu mogą przetrwać poza rośliną, zatem po wyizolowaniu z tkanek można je namnażać (np. w bioreaktorach), tworząc biopreparaty. Zainteresowanie badaczy budzi także wykorzystanie produkowanych przez mikroorganizmy substancji do uzyskania leków – antybiotyków, preparatów przeciwcukrzycowych czy przeciwnowotworowych. Szczególne nadzieje budzą szczepy wytwarzające substan-cje dotychczas izolowane z wolno rosnących gatunków drzew (do takich związków zalicza się kamptotecyna lub taksol). Roślinne geny kodujące enzymy niezbędne do biosyntezy tych substancji były bowiem często przejmo-wane przez mikroorganizmy.

dr Paweł Jedynak
Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin, Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytet Jagielloński w Krakowie