Mikroorganismy a rhizosféra
Mikroorganismy a rostliny
Mikroorganismy a rostliny
•	mikroorganismy prospěšné
•	symbiotická fixace vzdušného dusíku
•	mykorrhiza
•	biokontrolní mikroorganismy
•	mikroorganismy podporující rostlinný růst
•	mikroorganismy patogenní
Rhizosféra
•	půda ovlivněná kořeny rostlin
•	5 mm i více kolem kořenů
•	pH o jednotku vyšší nebo nižší
•	sušší
•	více organických látek

Substráty uvolňované z kořenů
•	exudáty – nízkomolekulární, uvolňující se nemetabolicky z intaktních buněk – po koncentračním spádu
•	sekrety – produkty metabolismu aktivních buněk – transport i proti koncentračnímu gradientu – polysacharidy, aminokyseliny
•	lyzáty – vznikají autolýzou starších buněk
•	mucigel – gelovitý materiál rostlinného a mikrobiálního původu + uvolněné hraniční buňky  kořenové čepičky 
Substráty uvolňované z kořenů
•	organické kyseliny a lipidy – snižují pH a chelatizují kovy
•	růstové faktory – stimulují aktivitu mikroorganismů
•	těkavé látky
•	mucigel – zdroj organických látek pro MO, MO produkují polysacharidy, ochrana kořenové čepičky, příjem živin díky pH-dependentní výměnné kapacitě kationtů
•	uvolňování látek do rhizosféry je ovlivněno druhem rostliny, věkem a vývojovým stadiem, teplotou, vlastnostmi půdy a půdní mikroflóry
Populace rhizosféry
•	závisí na složení, vlhkosti a množství kyslíku v půdě
•	větší u polních plodin než u stromů
•	poměr R/S – počet mikroorganismů v rhizosféře / počtu mikroorganismů ve většinové půdě
•	mikroflóra – bakterie (včetně aktinomycet) 20:1, aktinomycety 10:1, houby – mykorrhiza
•	mikrofauna – protozoa (2:1), nematoda, mikroartropoda
Interakce mezi mikroorganismy a rostlinami
•	prospěšné

•	škodlivé

•	neutrální
Prospěšné interakce mezi mikroorganismy a rostlinami
•	prokázány experimenty se sterilizovanou půdou

•	symbiotická fixace dusíku
•	mykorrhiza
•	biokontrolní mikroorganismy
•	mikroorganismy podporující rostlinný růst
Fixace vzdušného dusíku
•	zpřístupňuje dusík v amonné formě rostlinám
•	pouze prokaryota – G- bakterie, aktinomycety a sinice
•	diazotrofní mikroorganismy
Fixace vzdušného dusíku
•	symbiotická
•	hlízkové bakterie
•	rhizobia – leguminózy
•	Frankia – neleguminózní rostliny, olše
•	Anabaena – Azolla – kapradina, byla využívána na rýžových polích již v 11. stol.

•	asociativně- symbiotická
•	volně rostoucí bakterie
•	Acetobacter – cukrová třtina
•	Azotobacter – tropické traviny
Fixace vzdušného dusíku
•	díky trojné vazbě v molekule dusíku se jedná o energeticky velmi náročný proces (226 kcal na mol)
•	energie z oxidace organického substrátu nebo ze sluneční energie
•	nitrogenáza – 3 dosud známé enzymové komplexy
•	základní komplex byl popsán Evansem a Burrisem 1992
•	2 proteinové komponenty
•	reduktáza dinitrogenázy - Fe
•	dinitrogenáza – Mo-Fe
•	Mo může být u některých enzymů nahrazen vanadem

Nitrogenáza
Fixace vzdušného dusíku

•	8x
•	1,25 sekundy
•	dostatek enzymu – 10 – 40 % buněčných proteinů
•	enzym může redukovat mnoho jiných substrátů – vodíkový proton, kyanid, acetylen – měření aktivity nitrogenázy
•	citlivá na kyslík - inaktivace
Volně rostoucí diazotrofové
•	aerobní – heterotrofní

•	fakultativně anaerobní – heterotrofní

•	mikroaerofilní – heterotrofní

•	anaerobní – autotrofní

•	heterotrofní

•	aerobní – fototrofní

•	fak. anaerobní – fototrofní

•	anaerobní - fototrofní
•	Azotobacter, Beijerinckia, Acetobacter, Pseudomonas

•	Klebsiella, Bacillus

•	Xanthobacter, Azospirillum

•	Thiobacillus
•	Clostridium, Desulfovibrio

•	Anabaena, Nostoc

•	Rhodospirillum

•	Chlorobium, Chromatium
Příležitostná (asociativní) symbióza
•	mikroorganismy na nebo v rostlinných buňkách
•	nevyžaduje genetickou interakci mezi rostlinou a mikroorganismem
•	neobjevují se žádné morfologické změny
•	Paspalum notatum a Azotobacter paspali
•	Acetobacter diazotrophicus  a cukrová třtina – acetobakter roste uvnitř kořenů cukrové třtiny
•	jinak významná především v přírodních podmínkách
Fixace vzdušného dusíku
•	symbiotická
•	hlízkové bakterie
•	rhizobia – leguminózy
•	Frankia – neleguminózní rostliny, olše
•	Anabaena – Azolla – kapradina, byla využívána na rýžových polích již v 11. stol.

•	asociativně- symbiotická
•	volně rostoucí bakterie
•	Acetobacter – cukrová třtina
•	Azotobacter – tropické traviny
Symbiotická fixace dusíku
•	Leguminózy
•	Casuarina (přesličníky)
•	Olše
•	Coriaria (řád Ranunculales)
•	Kapradina azola – fixace dusíku na rýžových polích, již od 11. stol.
Symbiotická fixace dusíku
•	tvorba hlízek
•	vysoce specifická interakce mezi bakterií a rostlinou, geneticky daná
•	infekční vlákno – v kůře kořene vyvolává tvorbu primordia – to přitahuje bakteriální buńky – infikované buňky diferencují a vytvářejí hlízku

•	Root hair deformation, curling, and infection; an early stage in the nodulation of clover by Rhizobium leguminosarum bv trifolii (From K. Sahlman and G. Fahraeus, J. Gen. Microbiol. 33, 425–427 (1963) used with permission).

•	Rhizobia contained within a plant-derived infection thread move down the root hair in the direction of the root cortex 

Kořenové hlízky
•	bakteroidy v peribakteroidní membráně
•	bakteroidní parenchym

•	kořenové hlízky u fazolu
Mechanismy infekce u rhizobií
•	penetrace kořenovým vláskem – hrách a jetel
•	penetrace poraněními nebo místy laterálního prodlužování kořene (podzemnice olejná)
•	penetrace primordiem (Sesbania and Neptunia)
Molekulární podstata interakce bakterie s rostlinou
•	Rhizobium – většina nod genů na plazmidech
•	nodABC
•	nodD – exprese i v nepřítomnosti vhodného hostitele
•	flavonoidy – produkovány rostlinou – interagují s produktem nodD
Nod faktor - chitooligosacharid

•	vojtěška a Sinorhizobium meliloti
•	konfokální mikroskopie

•	(a) M. truncatula A17 at 2 d post-inoculation (dpi) with Sinorhizobium meliloti 2011. Root hairs are branched (arrowhead) and curled (arrow). Bacterial cells are shown in green. Bar, 20 µm. (b) Nascent nodule meristem near the stele of a Medicago root at 2 dpi. *, Vessel member; arrowheads, condensed chromatin in meristematic cells. Bar, 20 µm. (c) Cross-sectional view of Medicago root forming a nodule meristem (highlighted in green) at 2 dpi. Bar, 20 µm. (d) High-magnification image of a curled root hair forming the classic 'shepherd's crook' on Medicago with an infection thread growing toward the root at 3 dpi. Bar, 20 µm. (e) High-magnification image of Medicago nodule cells in the nitrogen-fixation zone at 9 dpi. Individual bacteroids are clearly visible. Bar, 20 µm. (f) Infected cells in the fixation zone of a mature Medicago nodule with remnant infection threads at 25 dpi. Arrowheads, remnant infection threads. Bar, 20 µm. (g) High-magnification image of a branching infection thread in a mature pea nodule at 31 dpi. Note the cell wall of the infection thread (blue) and the undifferentiated bacterial cells (green) inside the infection thread. Bar, 5 µm. (h) Longitudinal section of a mature Medicago root nodule at 20 dpi. Regions of a mature nodule visible using confocal microscopy: 1, nodule meristem; 2, prefixation zone; 3, interzone; 4, nitrogen-fixation zone. *, Stele of root. Bar, 100 µm.
Nod geny
•	u Bradyrhizobium a Azorhizobium jsou uloženy na chromozómu
•	pokud bakterie rostou volně, neexprimují se
•	specificky stimulovaná exprese
•	flavonoidy naringenin a daidzein stimulují expresi nod-genů u rhizobií soji 
Hlízky
•	obsahují leghemoglobin
•	maturace – asi 15 dní – produkce specifických proteinů
•	noduliny
•	následuje fixace dusíku
•	determinativní – nepokračuje meristematický růst
•	dusík exportován jako purin
•	fazol
•	indeterminativní
•	pokračuje meristematický růst 
•	dusík exportován jako asparagin
•	hrách, jetel, vojtěška

•	meristém
•	aktivně fixující část
•	odumírající část
•	infikované buňky, kde rhizobia ještě nefixují N
Specifita rhizobií
•	caesalpinioid legumes, Cassia netvoří hlízkly
•	každé rhizobium tvoří hlízky, ne na všech leguminózách
•	Cross-inoculation groups – leguminózy nodulated stejnými rhizobiemi mohou být rozděleny do podskupin  na základě efektivity fixace s jednotlivými rhizobii
•	kultivary stejné rostliny se mohou lišit úrovní fixace
•	mutace – ztráta schopnosti fixace
Inokulace 
•	V současnosti využití fixátorů dusíku ke zvyšování úrodnosti půd klesá
•	použit musí být optimální kmen schopný efektivní fixace a kompetitivity v půdě
•	použití je nezbytné při přenesení plodiny do jiných zeměpisných podmínek

Mykorrhiza
•	vesikulárně – arbuskulární
•	orchideaceous
•	ericaceous
•	ektomykorrhiza