Tema 9: Interaccions entre plantes i microorganismes (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Microbiología - 2º curso
Asignatura Ecologia Microbiana
Año del apunte 2016
Páginas 7
Fecha de subida 31/03/2016
Descargas 35
Subido por

Vista previa del texto

TEMA 9: INTERACCIONS ENTRE PLANTES I MICROORGANISMES INTERACCIONS AMB LES ARRELS DE LES PLANTES La rizosfera Les arrels són un habitat molt propici pel creixement de microorganismes. Una zona amb arrels presenta més concentració de microorganismes que una sense arrels. La rizosfera és la fina capa de sòl influenciada per les arrels, perquè les arrels secreten substàncies, que de fet queda adherida al sistema d’arrels després de sacsejar-les. El rizoplà és la superfície de l’arrel compresa dins de la rizosfera. En la rizosfera la concentració de microorganismes és més alta.
Depenent de la planta, la rizosfera és més o menys àmplia, i això depèn de l’estructura particular del sistema d’arrels. Les hi ha més complexes que tindran una rizosfera més gran, i de menys complexes. Per exemple, el blat té un sistema radical de fins a 200m de longitud, la zona radical de 6m2, i només un 4-10% del rizoplà està en contacte directe amb microorganismes.
La rizobeina és la regió de la rizosfera caracteritzada com un cilindre mucilaginós relativament estret de sòl que està envoltant les arrels. Es creu que la seva funció és mantenir la humitat. Aquesta estructura és l’ambient òptim pel creixement de microorganismes.
Efecte rizosfèric Es coneix com a efecte rizosfèric el fet de que les arrels tenen gran influència sobre els microorganismes de la rizosfera. Es mesura com la relació entre el nombre de microorganismes en el sòl de la rizosfera (R), i el nombre de microorganisme en el sòl allunyat de les arrels (S)  R/S. Té uns valors entre 5 i 20. En un gràfic que mostra la relació R-S al llarg de la vida de la planta, veiem que no és constant, sinó que disminueix a mesura que la planta es fa vella. La relació R-S pot assolir valors de 100 (vol dir que hi ha 100 vegades més microorganismes a prop que lluny de l’arrel).
Efecte dels microorganismes sobre la rizosfera i viceversa Els materials alliberats per les arrels són substàncies que poden utilitzar la comunitat microbiana de la rizosfera, normalment de naturalesa orgànica, aminoàcids, cetoàcids, vitamines, sucres, fosfolípids, etc. Per tant, les arrels influencien directament la composició i la densitat de la microbiota que les envolta. De la mateixa manera, els microorganismes influencien també les arrels.
Les poblacions de microorganismes de la rizosfera poden patir canvis successius al llarg del desenvolupament de la planta, des de la germinació de la llavor fins la maduresa. En la fase de maduració de la planta, predominen poblacions de Pseudomonas i altres bacteris amb altes taxes de creixement, i se secreten sucres i aminoàcids. Aquests canvis estan influenciats pels canvis en els materials secretats per l’arrel al llarg de la seva vida. Aquests dos canvis (de materials secretats i de poblacions microbianes) provoquen una disminució de la relació R-S al llarg del temps. En general, a la rizosfera hi ha una major proporció de gram negatiu (Pseudomonas) i menor de gram positius. Trobem també formes pleomòrfiques (com els rizobis).
Fixadors de N a la rizosfera Hi ha moltes arrels que tenen associats fixadors de nitrogen, que no vol dir que sempre estiguin en simbiosi amb les arrels. En algunes plantes com Digitaria o Paspalum, s’han detectat altes taxes de fixació de N degut a l’associació de bacteris com Azospirillum o Azotobacter, que són heteròtrofs, fixen matèria orgànica, i respiren aeròbicament. Aquests bacteris utilitzen el que secreta la planta com a font d’energia.
En els sediments marins anòxics també hi ha activitat fixadora de N per part de Desulfovibrio (reductor de sulfat), Chlostridium (fermentador i productor d’espores) i altres anaerobis.
Influència dels microorganismes sobre la planta Els microorganismes secreten substàncies que influencien a les plantes, de manera que també exerceixen una marcada influència en el creixement de les plantes. En la majoria dels casos, la planta creix millor quan té microorganismes associats. Els microorganismes:  Augmenten el reciclatge i la solubilització dels nutrients minerals li aporten nutrients (trasvassació o augment de la disponibilitat).
 Sintetitzen vitamines, aminoàcids, auxines, citoquines i gibberel·lines que estimulen el creixement.
 Mostren antagonisme cap a patògens potencials que podrien infectar la planta.
En els camps d’arròs, la planta es troba semisubmergida i, per tant, el sediment és anòxic. A més, l’arròs ha de fer front al sulfhídric del sediment. Però alguns bacteris oxidadors de S associats, com Beggiatoa (microaeròfil), utilitzen el sulfhídric com a donador d’electrons (quimiolitoautòtrof). Aquest bacteri aporta nutrients a l’arròs i detoxifica l’ambient que rodeja l’arròs, i la planta de l’arròs crea un ambient adequat pel creixement d’aquest bacteri (aporta l’oxigen).
Arthrobacter, Pseudomonas i Agrobacterium produeixen compostos orgànics que afavoreixen la proliferació del sistema radical de la planta.
Hi ha vegades que la microbiota de la rizosfera produeix substàncies antagonistes que evita que altres plantes puguin establir relacions amensals amb altres. Per exemple, el blat jove té uns microorganismes associats que inhibeixen el creixement del pèsol i de l’enciam.
Alguns microorganismes poden augmentar la concentració de sulfats, perquè dilueixen la apatita (que conté fòsfor), i llavors els fa disponiblex per la planta. Els microorganismes poden tenir elements pesants (Mg o Ca) i fer-los disponibles per la planta.
Tot i així, hi ha vegades que els microorganismes de les arrels poden disminuir la concentració de nutrients, però normalment, són beneficiosos. A vegades, utilitzen els nutrients i llavors no són disponibles per les plantes, com passa en els arbres fruiters que tenen carència de Zn o Mn. Quan s’afegeixen adobs nitrogenats, pot ser que aquests siguin consumits pels microorganismes i no arribin a la planta. Aquests compostos nitrogenats també poden ser reduïts (desnitrificació), passats a N atmosfèric i ser perduts en l’atmosfera.
Micorrizes Són associacions mutualistes de fongs amb les arrels de les plantes. Aquesta interacció mutualista és diferent, interacció intima entre els dos, tots dos són beneficiats, i té un alt grau d’especificitat i d’organització. Veiem un tros d’arrel envoltada d’hifes de fong. Hi ha intercanvi de nutrients per les dos parts. Moltes plantes que tenen micorrizes són molt estables i es mantenen durant períodes més llargs. Els fongs de les micorrizes poden tenir vida lliure. Un fong típic que forma micorrizes és Rhizoctonia solani.
Tenim dos grans tipus de micorrizes: I.
II.
III.
Ectomicorizes: formades per una capa gruixuda d’hifes que rodegen l’arrel. Les hifes poden penetrar en l’arrel pels espais intercel·lulars (entre cèl·lules del còrtex).
Endomicorrizes: Capa més prima d’hifes externes que poden penetrar dintre de les cèl·lules de l’arrel.
Ectoendomicorrizes o ectendomicorrizes: aquest tercer grup és una barreja dels dos anteriors. Les hifes formen una capa gruixuda al voltant de l’arrel i a més penetren a l’interior de les cèl·lules.
ECTOMICORRIZES Es troben sobretot a boscos temperats, per exemple, en els pins. Gràcies a les hifes poden colonitzar ambients que sense les hifes no podrien. Els fongs solen ser fongs que suporten pH àcids i això fa que la planta pugui colonitzar també ambients àcids.
El fong aporta a la planta major longevitat de les arrels, una absorció selectiva d’ions del sòl, augment en la taxa d’absorció de nutrients, major resistència a fitopatògens (molts cops els fongs secreten substancies que eviten altres fongs patògens), augment de la tolerància a toxines, i tolerància més àmplia a variables ambientals. La planta aporta al fong nutrients en forma de productes fotosintètics (substrats orgànics), i secreta substàncies que eviten la competència amb altres fongs de l’ambient.
Les arrels que tenen ectomicorizes presenten dicotomització (bifurcació) i prolongació del creixement i la supervivència. A més, les plantes deixen de formar pèls radicals perquè els fongs fan la funció d’aquests pèls (efecte morfogenètic). També presenten resistència a patògens per la producció de diferents substàncies per part de la planta o del fong.
ENDOMICORRIZES Hi ha plantes, com les Ericales (plantes llenyoses), que sempre tenen endomicorrizes. L’associació d’endomicorrizes en aquestes plantes augmenta l’accés de la planta a compostos de N i de fosfat del sòl. Els avantatges que proporciona l’associació són els mateixos que els que proporcionaven les ectomicorizes.
Algunes plantes que en presenten són el llorer, l’azalea o les plantes arbustives. Les endomicorrizes penetren a l’interior de les cèl·lules i formen com una mena de cabdells a l’interior de les cèl·lules. Totes les orquídies tenen endomicorrizes, i el que fan és millorar la capacitat de germinació. Les associacions vesículo-arbusculars són les més freqüents. Es formen en la majoria d’angiospermes, gimnospermes, falgueres i briòfits. Es van originar fa 383-462 Ma.
Micorrizes arbusculars Es formen en la majoria d’angiospermes, gimnospermes, falgueres i briòfits (un 70% de les plantes en tenen), són les més freqüents. Són les més antigues evolutivament, es van originar fa 400-460 Ma, i això significa que en un inici les plantes les van utilitzar com a estratègia per colonitzar sòls pobres. En principi no es veuen perquè no causen canvis macroscòpics en l’arrel, i per això són difícils d’observar. Es troben molt esteses, moltes d’elles en plantes utilitzades en l’agricultura; patates, maduixes, blat, tomàquets, etc.
Es diuen així perquè a l’interior de les cèl·lules del còrtex de les arrels desenvolupen els anomenats arbúsculs (en forma d’arbre), que és on té lloc l’intercanvi de nutrients entre la planta i el fong. Moltes, a més, tenen vesícules que serveixen com a reservori, i per això s’anomenen associacions vesículo-arbusculars.
Si mirem una arrel tallada longitudinalment, veiem les diferents capes cel·lulars. La simbiosi s’inicia quan les espores del fong que estan al sòl germinen i desenvolupen un miceli que es posa en contacte amb l’arrel (interacció quimiotàctica). El miceli capta nutrients, com ara compostos de N i P inorgànics, i els converteix en Arg que després passarà a la cèl·lula de l’arrel. Els fongs generen unes substàncies Myc que inicien la interacció entre arrel i fong (l’arrel també genera substàncies). Un cop en contacte amb l’arrel, el miceli desenvolupa un hifopodi i penetra fins a les cèl·lules del còrtex on desenvolupa els arbúsculs. L’arbúscul queda envoltat d’una membrana citoplasmàtica que augmenta la superfície de contacte (d’intercanvi) entre l’arrel i el miceli, s’anomena apoplast (?).
Trobem diferents avantatges en aquesta associació de micorrizes arbusculars:  El miceli micorrízic presenta més resistència a situacions d’estrès abiòtic.
 Millora la captació de nutrients (P), de fosfats i d’altres ions (Zn, sulfat, amoni, etc).
 La planta millora la capacitat de captació de nutrients i la resistència a condicions d’estrès (presència de metalls pesants, sequera). La captació de nutrients millora sobretot en boscos emprobrits, com els boscos tropicals que són pobres, tenen altes temperatures i humitat. Les condicions dels boscos tropicals provoquen que la matèria orgànica sigui degradada i emportada per la pluja (lixiviació).
Un exemple de la importància de les endomicorrizes és que quan es tallava la vegetació, es cremava i es recollia la collita, s’abandonava la zona i quedava una clariana, aquesta clariana trigava a poder reutilitzar-se perquè el terra s’erosiona. Com a alternativa, es proposa utilitzar plantes que puguin tenir inoculades les endomicorrizes, perquè podran créixer en llocs pobres en nutrients. També depèn del tipus de planta que inoculem, creixeran sobretot plantes llenyoses i plantes no anuals.
Per les zones temperades, també es contempla la opció de repoblar zones mineres i empobrides, utilitzar espècies com el pi amb el fong Pisolithus tinctorius, que també existeix com a fong de vida lliure, però que quan està en simbiosi amb l’arrel es comporta diferent. Si afegim adobs, no té sentit lo de les endomicorrizes, perquè les endomicorrizes ja capten nutrients amb més facilitat i no els hi calen els adobs.
Fixació de N en nòduls radicals La fixació de N és deguda a l’associació entre lleguminoses (plantes amb llavors en una beina; pèsol, soja, etc) i bacteris fixadors de N, una de les associacions mutualistes més importants entre bacteris i plantes. Les plantes que poden fixar N gracies a aquests fixadors, no necessiten adobs nitrogenats gràcies a la formació de nòduls fixadors de N a les arrels.
Hi ha pocs gèneres que puguin interaccionar amb lleguminoses, només ho fan els gèneres Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Mesorhizobium, Azorhizobium i Photorhizobium. Aquests gèneres reben el nom de rizobis, i són capaços de formar nòduls fixadors de nitrogen a les arrels de les lleguminoses. Els rizobis, quan es troben en vida lliure, no poden fixar N, ni les plantes tampoc, només poden fer-ho quan estan associats.
Aquests rizobis tenen la nitrogenasa que fixa N que s’inhibeix en presència d’oxigen, i per aquesta raó, quan el rizobi és de vida lliure no funciona (les concentracions d’oxigen inhibeixen l’enzim). Als nòduls les condicions són anaeròbiques i l’enzim pot funcionar. De fet, es controla la quantitat precisa d’oxigen mitjançant una proteïna de Fe d’unió a l’oxigen, la leg-hemoglobina, que només la produeix la planta quan es forma el nòdul (l’oxigen unit no pot interferir amb la nitrogenasa). La proporció d’oxigen unit respecte el lliure és de 10.000:1.
Cada lleguminosa, o certs grups de lleguminoses, tenen una relació molt específica amb cada rizobi, cadascuna és específica del seu rizobi, i si no és aquest, no es formen els nòduls. Hi ha diferents lleguminoses properes evolutivament, no moltes, que potser poden ser infectades pel un mateix rizobi, i aquest grup de lleguminoses s’anomena grup d’inoculació creuada.
Formació de nòduls Primer hi ha un reconeixement i un acostament del rizobi i la planta. Les plantes excreten factors orgànics que atrauen als microorganismes i, concretament, les lleguminoses produeixen flavonoids vegetals que atrauen al rizobi específic per elles, que si s’acosta al sòl, s’aproparà. Un cop interaccionen, el rizobi excreta factors Nod que provoquen que el pèl radical es cargoli. També intervenen altres tipus de receptors que es troben a les cèl·lules vegetals, i unes proteïnes del rizobis que produeixen la unió. Els rizobis penetren per l’interior dels pèls radicals, i a l’interior del pèl radical comencen a créixer. A l’interior del pèl radical es va produint una mena de tub anomenat tub d’infecció per on penetren els rizobis cap a l’interior de l’arrel. Un cop a l’interior comencen a duplicar-se, i les cèl·lules vegetals a dividir-se i a formar-se el nòdul, es va produint un engruiximent fins que es forma completament el nòdul. Fins que no es forma el nòdul, no es comença a fixar N.
Els rizobis quan estan als nòduls tenen una forma diferent que la que tenen quan es troben en vida lliure, un cop es multipliquen es transformen en cèl·lules grosses i inflades anomenades bacteroids. Diversos grups de bacteroids s’envolten de membrana vegetal i formen els simbiosomes. Quan estan formats els simbiosomes, parlem de nòdul madur.
Els factors Nod dirigeixen els passos del reconeixement i l’adhesió. Es troben codificats en els gens Nod que són diferents en cada rizobi. Són oligosacàrids amb un esquelet de N-acetilglucosamina que es diferencien pels radicals laterals (diferents a cada rizobi). Aquests radicals són els que donen l’especificitat al reconeixement del factor Nod i la planta. La síntesi dels factors Nod és induïda pels flavonoids.
Els flavonoids s’assemblen, però també són diferents en cada lleguminosa. Els hi ha inductors pel rizobi específic, i inhibidors, pels rizobis no específics.
La nitrogenasa és un complex proteic constituït per dos components (dinitrogenasa i dinitrogenasa reductasa).
Al component dinitrogenasa hi ha un cofactor FeMo que és on té lloc el pas final de la fixació de N.
La planta proporciona al simbiosoma tots els àcids orgànics necessaris per créixer, el bacteroid (heteròtrof), a partir dels àcids orgànics, pot obtenir ATP i poder reductor per fixar N. El N es pot fixar per formar aminoàcids que passaran a través de la membrana del simbiosoma i arribaran a la planta.
Fixació de N en tiges Els nòduls d’altres lleguminoses es troben a la tija, com en el cas de Sesbania rostrata, que és una lleguminosa tropical amb nòduls causats per Azorhizobium. Els nòduls de la tija es troben en la interfase entre l’aigua i l’aire.
Un rizobi molt particular trobat als nòduls de les tiges, és Photorizobium, que pot realitzar la fotosíntesi anoxigènica. Part de l’ATP que necessita pot obtenir-lo a partir de la llum. Pot passar que una lleguminosa estableixi relació amb dos tipus de rizobis i que en un mateix simbiosoma trobem bacteroids fotosintètics i bacteroids no fotosintètics.
Fixació de N en plantes no lleguminoses Aquesta associació té lloc entre bacteris no rizobis, que fixen N, i plantes no lleguminoses. Per exemple la falguera Azolla pinnata té a l’interior de les seves frondes el cianobacteri Anabaena, però en aquest cas no es formen nòduls. Un altre exemple és el bacteri Frankia (filamentosos que semblen fongs) que pot formar nòduls en plantes llenyoses com Alnus glutinosa. Frankia té una estratègia particular, un dels extrems té una vesícula amb una paret més gruixuda que impedeix el pas de l’O, i que és on es troba la nitrogenasa (on es fixa N).
Aquest bacteri pot establir simbiosi amb altres plantes llenyoses.
Fixació de N per cianobacteris No és una associació tan organitzada com en el cas dels rizobis, però també existeixen cianobacteris com Nostoc o Anabaena que s’associen amb les arrels per fixar N.
INTERACCION AMB LES ESTRUCTURES AÈRIES DE LES PLANTES Les fulles de les plantes són un sistema molt important, i les dividim en fil·losfera, atmosfera que rodeja la fulla, i fil·loplà, superfície de la fulla. Alguns microorganismes que es desenvolupen regularment en les superfícies aèries de les plantes són bacteris heteròtrofs i fotosintètics, líquens i algunes algues. La superfície de la fulla és un ambient molt hostil i molt heterogeni, que pot tenir enfonsaments, elevacions, i que té una temperatura alta (per sobre de 50 graus), que està exposada a radiació solar, a condicions de sequera, a limitació de nutrients. Tot i aquestes condicions, hi ha molts microorganismes (fongs, bacteris, etc) que creixen sobre les fulles.
Es fan diversos estudis de seguiment sobre les comunitats estacionals que s’estableixen a la fulla. Per exemple, al fil·loplà del sègol, trobem xantomones durant el maig, el juliol i el setembre, però a l’octubre només trobem estafilococs; mentre que pseudomones només en trobem al més de juliol. Pseudomonas fluorescens és una espècie que trobem típicament a la superfície de les fulles. També és freqüent trobar llevats dels gèneres Cryptococcus, Torulopsis, Sporobolomyces, Rhodotorula, etc.
Els microorganismes epífits de la superfície de les plantes estan directament exposats als canvis climàtics, i els que millors creixen són els pigmentats, ja que els pigments els ajuden a protegir-se de la radiació, i els que tenen parets especialitzades. A més, mostren una gran varietat de mecanismes d’alta descàrrega d’espores .
La planta té altres parts aèries que poden tenir microorganismes, com les flors (sobretot si tenen nèctar) o el fruit. L’elevat contingut en sucres del nèctar de les flors fa que sigui un hàbitat adient per les poblacions de llevats. Durant la maduració del fruit, predomina Saccharomyces (associació d’amensalisme), com que canvien les condicions ambientals, també canvien les poblacions microbianes associades.
Entre les poblacions microbianes de la superfície de les plantes es donen interaccions positives i negatives.
Els llevats osmòfils (que es desenvolupen bé en medis amb osmolaritat elevada) estableixen una interacció negativa amb gram positius, els llevats produeixen àcids grassos i inhibeixen el seu creixement. També estableixen interaccions positives i d’intercanvi de substàncies amb altres espècies microbianes (estimulen el seu creixement).
Exemples Associacions positives: i.
ii.
Els líquens i diferents fongs es poden trobar creixent en l’escorça d’alguns arbres. Hi ha líquens que poden fixar N, que és una aportació important per la planta. El N fixat, pot arribar al sòl. A la fil·losfera també hi ha bacteris fixadors de N. Per exemple, Azolla pinnata és una falguera associada al cianobacteri Anabaena que fixa N i forma nòduls a la superfície de la fulla (relació mutualista). Aquesta falguera es desenvolupa als arrossars i quan comença a créixer l’arròs, mor i s’allibera una gran quantitat de N que queda alliberat al sòl.
També trobem fongs endòfits que creixen intracel·lularment i protegeixen a la planta contra els herbívors gràcies a la formació de alcaloids tòxics per part dels fongs. Per exemple, Acremonium (fong) produeix alcaloids tòxics pels herbívors, insectes i fins i tot animals més grans, mentre que la planta li proporciona els productes de la fotosíntesi.
Associacions negatives: i.
Algunes soques de Pseudomonas syringae i Erwinia herbícola provoquen la formació de cristalls de gel quan les temperatures són molt baixes. Aquests cristalls perjudiquen a la planta per congelació, i ells s’aprofiten de la matèria orgànica de la planta morta.
MALALTIES MICROBIANES DE PLANTES. FITOPATÒGENS Les plantes poden ser atacades per diferents microorganismes causants de malalties (Virus, bacteris, fongs i protozous), que poden entrar a través de qualsevol obertura, estomes, ferides, etc. El primer que succeeix és el contacte entre el microorganisme i la planta, després el patogen entra i creix a l’interior, i finalment es desenvolupen els símptomes de la malaltia.
Casos concrets Agrobacterium tumefaciens és un bacteri formador d’agalles de corona. Provoca el desenvolupament de tumors malignes (no nòduls) al llarg de la tija o en les arrels, malaltia que es coneix com a agalles o tumors del coll. Es tracta d’una relació de parasitisme.
Agrobacterium rhizogenes provoca la malaltia de les arrels piloses.
Aquests bacteris només produeixen la malaltia si contenen el plàsmid Ti (A. Tumefaciens) o plàsmid Ri (A.
rhizogenes), que són plàsmids conjugatius. Aquests plàsmids contenen una regió de t-DNA (DNA de transferència) que serà transmesa a les cèl·lules de la planta. Un cop a les cèl·lules de la planta, s’insereix al genoma i provoca els símptomes de la malaltia. Aquest fragment de t-DNA codifica per oncogens i per substancies que s’anomenen opines (aminoàcids modificats que són font de C i de N), que són positives pel microorganisme. Els oncogens, quan s’expressen, provoquen la formació d’unes hormones en excés a la planta, que acaben matant-la. El plàsmid també conté diferents gens vir, que són els que transfereixen aquest t-DNA cap a les cèl·lules vegetals (enzims de transferència).
Aquesta malaltia la contrau la planta a través de la entrada del bacteri per una ferida. De fet, el que passa és que quan la planta té una ferida, secreta compostos fenòlics que atrauen al bacteri i que activen els gens vir.
S’expressa el gen vir A que codifica per una quinasa que fosforila el producte del gen vir G, que una vegada fosforilat, activa l’expressió de la resta dels gens vir. El gen vir D és una endonucleasa que trenca el t-DNA, que gràcies al producte del gen vir E, el t-DNA és transportat a la membrana citoplasmàtica del bacteri on es troba al amb la proteïna vir B. Vir B és un canal de pas entre el bacteri i la cèl·lula vegetal pel que passa només el fragment de t-DNA. Un cop el t-DNA s’insereix al genoma de la cèl·lula vegetal, comença a sintetitzar oncogens i opines.
...