Тема Взаимоотношения микроорганизмов и макроорганизмов Взаимоотношения микроорганизмов

Тема: Взаимоотношения микроорганизмов и макроорганизмов

Взаимоотношения микроорганизмов и растений

Уровни микробно-растительных взаимодействий: 1. Химический ( «узнавание» хозяина, обмен «информацией» , восприятие или отторжение молекул из организмов и др. ). 2. Физический (физический контакт м/о и растения, удержание м/о на поверхности растения). 3. Популяционный.

Типы симбиотических отношений между растениями и микроорганизмами: • Бесконтактный (перевод серными бактериями соединений серы в доступную для растений форму); • Контактный (симбионты устьиц выделяют ферменты, усиливающих дыхание растений); • Проникающий (образование клубеньков на корнях бобовых).

Микрофлора семян: Бактерии: Agrobacterium, Arthrobacter, Bacillus, Clavibacter, Clostridium, Curtobacterium, Erwinia, Pseudomonas, Rhizobacter, Rhizomonas, Xantomonas и др. , Грибы: Acremonium, Aureobasidium, Aspergillus, Cephalosporidium, Fusarium, Penicillium, Puccinia, Verticillium и др.

Микроорганизмы ризосферы Ризосфера – пространство вокруг корня от 0 до 2 -8 мм в диаметре. Ризоплана – поверхность корня.

Из корневых волосков растения в ризосферу поступают корневые ризодепозиты: 1. Низкомолекулярные органические вещества. 2. Продукты фотосинтеза и метаболизма растения (виде ризодепозитов растение теряет более 30 -40% продуктов фотосинтеза). 3. Высокополимерные слизи полисахаридной и белковой природы. 4. Ферменты. 5. Отмирающие и слущивающиеся поверхностные клетки, куски тканей (кортекс верхних стареющих участков корня, корневой чехлик, корневые волоски).

Феномен более высокой плотности микроорганизмов вокруг корня за счёт потребления ризодепозитов называется ризосферным эффектом.

Вещества, продуцируемые бактериями: Низкомолекулярные вещества: - ауксин (индолил-3 -уксусная кислота, ИУК – гормон роста растений); - N-ацилированный лактон гомосерина (АЛГ – служит аутиндуктором активности бактериальной популяции во взаимодействиях с растением-хозяином) Высокомолекулярные вещества: Лектины – это углеводсодержащие белки (неиммуноглобулиновой природы), обладающие свойством обратимо и избирательно связывать углеводы и углеводные детерминанты биополимеров без изменения их ковалентной структуры.

Микроорганизмы ризосферы: Бактерии: Aeromonas, Agrobacterium, Arthrobacter, Agrobacterium, Azospirillum, Bacillus, Clavibacter, Clostridium, Vibrio, Pseudomonas, Rhizobium. Грибы: Acremonium, Aureobasidium, Aspergillus, Cephalosporidium, Fusarium, Penicillium, Puccinia, Verticillium и др.

Бактерии-ризобии, живущие в клубеньках на корнях сои, переводят атмосферный азот в усваиваемый растениями аммоний, получая взамен комфортные условия жизни и все необходимые питательные вещества

Клубеньки на корнях ольхи

Микроорганизмы филлосферы и филлопланы Филлосфера – пространство, окружающее надпочвенную поверхность растения, включая ткани этого растения. Филлоплана – поверхность растения.

Микроорганизмы, колонизирующие надземные части растения называют эпифитными. Количество микроорганизмов на поверхности листьев может достигать 108 м. к. на 1 г свежих листьев или 106 на 1 см 2. Численность и разнообразие микроорганизмов зависят от вида растения, местообитания, климата, погодных условий.

Главными воротами обмена растения с окружающей средой являются устьица. Здесь наиболее интенсивно осуществляется газообмен (СО 2 и О 2), выделяются летучие органические вещества (эфирные масла, высшие спирты), сахара, органические кислоты. Вокруг устьиц концентрируется наибольшее количество микроорганизмов; устьица часто служат входными воротами для фитопатогенных бактерий и грибов.

Помимо веществ, которые могут служить субстратом для микроорганизмов, растения выделяют и фитонциды – гликозиды, терпеноиды и др.

Роль растений в жизни микроорганизмов 1. Растения являются источником питания для м/о (как живые, так и погибшие – для паразитов и сапрофитов соответственно). 2. Являются средой обитания для многих м/о. - Физически защищают м/о. 3. Участвуют в распространении м/о (с ростом корней, стеблей, при поедании растений травоядными, в желудке которых часть бактерий погибает, а часть возвращается в почву с экскрементами)

Положительное влияние микроорганизмов на растения: 1. Разложение и минерализация органического вещества 2. Обеспечение экосистем азотом (азотфиксация). 3. Обеспечение растений фосфором (особенно грибы). 4. Продукция стимуляторов роста растений. 5. Смягчение неблагоприятных воздействий среды. 6. Обеспечение колонизационной резистентности. 7. Удаление токсических веществ из корневой зоны.

Отрицательное влияние микроорганизмов на растения: 1. Создание анаэробиоза в переувлажнённых почвах. 2. Массовое развитие сульфатредуцирующих бактерий ведёт к активной продукции сероводорода, который ядовит для всего живого. 3. Фитопатогены. На сегодняшний день известно около 8000 видов патогенных грибов и 200 видов фитопатогенных бактерий. Из 162 наиболее опасных заболеваний, поражающих растения в Центральной Европе, 135 (83%) вызываются грибами, остальные – бактериями и вирусами.

Фитопатогенные бактерии - возбудители инфекционных заболеваний растений Роды Виды Вызываемые заболевания Erwinia Ожог, увядание Pseudomonas P. syringae Пятнистость Xanthomonas X. heterocea Пятнистость, увядание Corynebacterium E. amylovora C. insidiosum, C. fasciens Увядание Pectobacterium P. phetophtorum, P. aroidae Гнили Rhisobium R. legyminosorum Язвы Agrobacterium A. tumefaciens Опухоли

Бактериальная пятнистость листьев томатов Возбудитель болезни: Pseudomonas syringae pv. syringae

Бактериальный ожог плодовых деревьев Возбудитель: Erwinia amylovora (поражает как культурные, так и дикорастущие растения семейства розоцветных)

Возбудитель: Pseudomonas syringae

Взаимоотношения микроорганизмов и животных

Симбиозы прокариот и протистов Значительное число симбиозов протистов с прокариотами увеличивает приспособительные возможности обоих членов, т. е. является мутуалистическими. Эндосимбиозы – бактерии находятся внутри клеток протист. Локализация симбионтов в клетках протист: 1. Свободно лежат в цитоплазме; 2. В симбионтофорной вакуоле (цитоплазма с симбионтами, окружённая дополнительной мембраной хозяина); 3. В перинуклеарном пространстве (очень редко); 4. В шероховатом эндоплазматическом ретикулуме (очень редко)

Pseudotrichonympha grassi под большим увеличением. Зеленым цветом окрашены бактерии — внутриклеточные симбионты простейших, желтым — масса перерабатываемой древесины. Длина масштабной линейки 10 мкм.

Эпибионты – прокариоты, ассоциированные с поверхностью клеток протистов в течение большей части их жизненного цикла.

Значение симбионтов: 1. Снабжают хозяина веществами, необходимыми для его нормального развития. 2. Симбиоз дал возможность протистам перейти к вторичной анаэробности (Протисты имеют в своих клетках особые органеллы - гидрогеносомы, образовавшиеся из митохондрий. Гидрогеносомы и бактерии – симбионты вместе выполняют функцию митохондрий – синтез АТФ, но в анаэробных условиях).

Симбиозы микроорганизмов и многоклеточных животных. Предпочтительным местообитанием для бактерий является ЖКТ, где в избытке имеются питательные вещества (частично уже трансформированные ферментами хозяина), вода, стабильные условия р. Н и температуры.

Роль микроорганизмов в процессе пищеварения зависит от типа питания животного. 1. У хищников микрофлора конкурирует с хозяином за поступающую пищу (конкурентная модель). 2. Растительноядные животные в большей степени зависят от своей микрофлоры (кооперативная модель).

Симбиозы прокариот и растительноядных животных При использовании растительной пищи прежде всего должны быть расщеплены целлюлозосодержащие клеточные стенки растений. Однако животные не способны синтезировать целлюлазы. Поэтому в процессе эволюции возникли симбиозы животных с микроорганизмами – продуцентами активных гидролаз, расщепляющих целлюлозосодержащие полимеры.

Примеры: 1. Симбиозы растительноядных насекомых с грибами и бактериями (муравьи, термиты, тли, клопы и др. ). 2. Симбиоз жвачных млекопитающих и микроорганизмов (Ruminococcus albus, Ruminobacter, Bacteroides и др. Общая масса микроорганизмов рубца коровы превышает 30 кг ).

Рабочие термиты, поедающие древесину.

A — симбиотические бактерии на нижней стороне переднего сегмента груди муравья -листореза; B — колония бактерий в углублении на теле муравья; C — углубление, очищенное от бактерий; E — другой вид муравьялистореза, сплошь покрытый углублениями с симбиотическими бактериями (рис. из статьи в Science)

Компоненты симбиотического сверхорганизма: тля (слева ) и бактерии Buchnera , живущие в специализированных клетках хозяина — бактериоцитах Компоненты симбиотического сверхорганизма: тля (слева) и бактерии Buchnera, живущие в специализированных клетках хозяина — бактериоцитах

Организация сложного желудка жвачных животных

Значение симбионтов: 1. Входят в состав трофических цепей, приводящих к расщеплению сложных целлюлозосодержащих биополимеров до легко усвояемых хозяином мономеров; 2. Обеспечивают непрерывность и термодинамическую выгодность таких процессов в условиях ЖКТ; 3. Обеспечивают хозяина витаминами, ростовыми факторами, регуляторами развития (выделяются м/о в процессе жизнедеятельности или поступают в полости ЖКТ в результате гидролиза биомассы м/о; 4. Защищают хозяина от патогенных м/о; 5. Активируют системы иммунитета хозяина.

Симбиозы микроорганизмов и морских животных 1. В кишечнике многих морских животных (рыб, моллюсков) развиваются светящиеся бактерии – представители родов Photobacterium, Vibrio, которые обладают хитиназной активностью, необходимой для гидролиза оболочек планктона – главной пищи большинства морских животных. Свечение (биолюминисценция) происходит благодаря ферменту люциферазе.

2. Светящиеся бактерии могут входить в высокоспециализированные симбиотические системы, не связанные с перевариванием пищи. При этом они населяют специальные полые органы- бактериофотофоры, которые соединены выводным протоком с внешней средой. Их плотность достигает 1011 м. к. /мл. Светящиеся органы выполняют различные функции в половом размножении, во взаимоотношениях организмов в популяциях, важны при отпугивании врагов.

Кальмар Euprymna scolopes использует светящихся симбиотических бактерий Vibrio fischeri для отпугивания хищников. Кальмар способен регулировать силу свечения.

3. У губок симбионты живут преимущественно в бактериоцитах, достигая 40% от всей массы тела губок. Эндосимбионты губок (20 родов гетеротрофных бактерий) поддерживают фильтрационную активность животных благодаря очищению бактериальными гидролазами каналов внутри тела губок, а также снабжают своих хозяев комплексом витаминов и др. активных веществ.

4. Глубоководные симбиозы. Океанские биотопы отличаются повышенным содержанием восстановленных соединений (восстановительные биотопы). Жизнь многоклеточных животных в таких условиях возможна только благодаря симбиозу с бактериями- хемосинтетиками и метанотрофами, которые используют в качестве источника энергии реакции окисления серы, метана, др. восстановленных соединений.

Пример: Riftia pachyptila. Пищеварительный тракт отсутствует, обмен с внешней средой осуществляется через эпидермис. Питание обеспечивается процессами, происходящими в трофосомах- специализированных органах, заселённых серобактериями. Серобактерии окисляют сероводород до сульфатов. В качестве источников углерода используют СО 2, поступающий в трофосому через кровеносную систему хозяина.

Вестиментиферы Riftia. Из хитиновых трубок торчат красные жаберные лепестки, через которые проникают в кровь и сероводород, и углекислый газ

На этой схеме видно, как изменяется весь план строения вестиментифер, после того как личинка оседает на дно и в нее проникают симбиотические бактерии (показаны розовыми точками). Вверху — продольные разрезы (a), а внизу — поперечные (b). Горизонтальные стрелки на верхних рисунках показывают положение поперечного среза на нижних рисунках. Справа вверху показана взрослая особь. Кишечник (выделен голубым: fg — передний, mg — средний, hg — задний) постепенно исчезает, зато развивается трофосома (tr — область, выделенная розовым цветом). Фиолетовым цветом на поперечных срезах показаны спинной (dv) и брюшной (vv) кровеносные сосуды

Уникальный морской червь Olavius algarvensis, перепоручивший заботу о своем пропитании и удалении отходов бактериям-симбионтам