Interakcije med mikrobi in rastlinami

Osnovni ekološki principi 

•SOODVISNOST 

• RECIKLIRANJE 

• KOMPLEKSNOST 

• PERZISTENCA 

interakcije med mikrobi 

interakcije mikrob višji organizmi 

biofilmi 

mikrobna zanka 

1

Interakcije med mikroorganizmi in rastlinami 

Pomembnejši sklopi interakcij so: 

• interakcije s koreninami rastlin (rizosfera, mikorize) 

• simbiontska fiksacija dušika 

• interakcije s površinskimi deli rastline (lišaji, glive) 

• mikrobno povzročene rastlinske bolezni (bakterijske, glivne in virusne) 

2

Kompetenca za kolonizacijo na rastlini 

• Rizosferna kompetenca: tisti organizmi, ki lahko kolonizirajo 

površino korenin, če jih apliciramo na semena ali med časom 

sajenja rastlin. 

• Filosferna kompetenca: tisti organizmi, ki so sposobni kolonizacije 

mikro niš na površinskih delih rastline. 

3

Rizosfera 

• rizosfera je definirana kot tanka plast zemlje, 

ki je v kontaktu z rastlinskimi koreninami 

• rastlinske korenine so zaradi obilice rastlinskih eksudatov, 

aktivno izločenih ogljikovih hidratov, encimov, mukusa in plinov, 

zelo primerno okolje za rast mikroorganizmov 

4

Rizosfera 

Distribution of micro-organisms in the rhizosphere 

5

Rizosfera 

• okrog 10 % površine rastljinskih korenin 

je direktno pokrite z mikroorganizmi 

• površina rizosfere je zelo velika (npr. dolžina ene rastline pšenice ima 

dolžino korenin ~ 200 m, površina rizosfere je ~ 6 m 2) 

6

Vpliv rastlinskih korenin na mikrobno populacijo 

• mikrobna populacija je do 100 krat bolj gosta v rizosferi, 

kot zunaj nje, predvsem zato, 

ker raslina izloči od 20 do 50 % fotosintetatov 

• v rizosferi zasledimo veliko aerobnih in anaerobnih fiksatorjev dušika 

• mikrobna populacija v rizosferi se z razvojem rastline spreminja 

in je v veliki meri odvisna od trenutno razpoložljivih eksudatov 

7

Snovi, ki jih izločajo korenine pšenice 

hlapne snovi nizko molekularne visko komolekularne 

snovi snovi 

CO 2 sladkorji polisaharidi 

etanol amino kisline encimi 

izobutanol vitamini 

acetoin organske kisline 

izobutirična kislina nukleotidi 

etilen 

8

Vpliv mikrobne populacije na rastlino 

• mikrobna populacija poveča recikliranje in topnost nutrientov, sintezo 

vitaminov, amino kislin, auksinov in giberilinov 

• z antagonizmom prepreči rast rastlinskim patogenom 

• mikrobna populacija lahko škodi s produkcijo toksinov (npr. riž in 

nekatere druge rastline so razvile asociacije z npr. Beggiato, ki porablja H 2 S) 

• zaradi intenzivne mikrobne aktivnosti lahko pride do pomankanja hranil, 

saj je rastlina običajno slab konkurent za raztopljene snovi 

9

Rizosfera je glavna cona, kjer prihaja do 

razgradnje organskega materiala v mineralnih tleh 

Veliko lahko dostopnega organskega materiala. 

10

Mikroriza 

• neposreden specifičen odnos 

med glivo in rastlinskimi koreninami 

imenujemo mikoriza 

• gliva pri tem parazitsko 

ne napade rastline 

• mikrorize so v rastlinskem svetu 

zelo razširjene 

11

Endo in ekto mikroriza 

13

Endomikroriza 

• intracelularni arbuskuli 

• Zygomycota, Zygomycetes 

• ima jo večina rastlin (npr. pšenica, krompir, paradižnik, jagode, 

jablane, vinska trta) 

• nekatere rastline so obligatni endomikorizi (npr. orhideje) 

• zelo pomembna v siromašnih tleh (npr. v tropskem deževnem gozdu) 

14

Ektomikoriza 

Infekcija sekundarnih 

korenin s sporami, hifami 

ali neposrednim kontaktom 

med koreninami. 

Naredi se do 40 mikronov 

debel ovoj iz hif, hife so na 

zunanji strani korenin 

oziroma v Hartigovi mreži 

Poveča razvejanje korenin 

in absorbcijo hranil do 40 x. 

15

Korist mikrorize za udeležena partnerja 

Gliva dobi: ogljikove hidrate, vitamine, spore so stimulirane s 

koreninskimi eksudati 

Rastlina dobi: fosfor, dušik in druge minerale, povečan vnos vode, 

zaščita pred koreninskimi patogeni, poveča rast raslin v prehransko 

siromašnih tleh 

16

Biološka fiksacija dušika 

• ekološko gledano je fiksacija dušika za fiksacijo CO 2 

drugi najpomembnejši biološki proces na zemlji 

• fiksacija dušika je izključno vezana na bakterije 

(npr. Azotobacter, Rhizobium, cianobakterije, aktinomicete) 

• bakterije lahko opravijo fiksacijo v simbiozi 

ali prostoživeče 

• za fiksacijo je potreben encimski kompleks 

nitrogenaza 

17


• zaradi visoke porabe energije je biološka fiksacija reguliran proces, 

npr. prisotnost amonija ali nitrata prepreči sintezo nitrogenaze 

• potreben je zunanji vir energije 

• razen fototrofnih bakterij in cianobakterij, ki imajo lastni vir energije, 

potrebujejo vsi ostali fiksatorji veliko lahko dostopne organske energije, 

zato jih največ najdemo v rizosferi ali v simbiozi z rastlinami 

18


• za fiksacijo dušika je potrebno od 16-20 mol ATP na mol N 2 

• industrijska produkcija amonija s Haber-Boschovim procesom 

zahteva 500 o C, 200 atm in nikelj kot katalizator 

• nitrogenaza dala pri okoljskih temperaturah in pritiskih 

19

Nitrogenaza 

• nitrogenazni encimski kompleks prekine trojno vez v N 2 molekulah, 

kar omogoča nastanek atomarnega dušika in pozneje NH 3 

• v kompleksu sta dva proteina z več podenotami 

- dinitrogenaza je Mo-Fe protein (2Mo/22Fe) 

- dinitrogen reduktaza je Fe-S protein (4Fe/4S) 

• celice, ki fiksirajo dušik, 

imajo do 40% celičnega proteina iz nitrogenaze 

20

Nitrogenaza 

• temperatura (aktivna med 10 in 40 o C) 

• proces fiksacije je počasen, za dve molekuli NH 3 je potrebno 1.25 sek 

• nitrogenaza je substratno nespecifična in lahko reducira acetilen, 

kar uporabljamo pri testu za fiksacijo dušika(ARA) 

•občutljiva na kisik (že v zelo nizkih koncentracijah toksičen) 

21

Fiksacija dušika - zaščita nitrogenaze pred kisikom 

Cijanobakterije imajo modificirane celice heterociste. 

ATP 

PS I 

N 2 

nitrogenaza 

NH 3 

(CH 2 O) n 

glutamin 

fotosistem I in II 

(CH2O) n ATP NADPH O2 glutamin 

vegetativna celica vegetativna celica 

heterocista 

e - 

22

Kako aerobni mikrobi odstranijo kisik za 

delovanje nitrogenaze 

• sinteza leghemoglobina, ki veže O 2 

• mikroaerofilija (fiksacija le pri nizkih koncentracijah kisika) 

• respiratorna zaščita (visoka respiracija odstranjuje kisik, ciste, Azotobacter) 

• produkcija specializiranih celic (cianobakterije imajo heterociste z 

odebeljeno steno v katerih poteka fiksacija, aktinomicete imajo vezikle) 

23

Kako aerobni mikrobi odstranijo kisik za 

delovanje nitrogenaze 

• konformacijska zaščita (zaščitni protein se veže na nitrogenazo) 

• časovni razklop fiksacije in fotosinteze (nekatere cianobakterije fiksirajo 

dušik ponoči, ko je respiracija večja, podnevi pa vršijo fotosintezo) 

• fiksacija samo v anaerobnih razmerah (npr. Klebsiella, Clostridium) 

24

Nodul 

25

Infekcija z Rhizobijem 

vezava bakterije na 

korenino 

razvoj infekcijske niti 

zvijanje koreninskega laska 

26

azvoj infekcijske niti 

razvoj nodula in 

sprostitev bakterij iz 

infekcijske niti 

27

Nastanek nodula 

1. rastlina izloča flavonoide ali izoflavonoide v rizosfero 

2. te spojine inducirajo ekspresijo nod genov v bakteriji 

3. nod geni producirajo encime, ki sintetizirajo Nod faktorje 

(lipooligosaharide) 

4. Nod faktorji so sproščeni v rizosfero, kjer sprožijo zvijanje 

koreninskega laska in delitev meristemskih celic rastline 

5. rizobiji se premaknejo proti korenini zaradi atraktantov (amino kisline, 

dikarboksilne kisline, falvonoidi) 

6. bakterije se vežejo na lectine (rastlinski proteini z visoko afiniteto za 

ogljikovehidrate) 

28

začetek zvijanja korenisnkega laska 

celice fiksatorja 

Rhizobium 

29


7. korenine izločajo triptofan 

8. bakterije konvertirajo triptofan v indol ocetno kislino (IAA- rastlinski 

rastni hormon) 

9. IAA poveča zvijanje koreninskega laska, kar omogoči nastanek 

rastlinskega oklep okrog bakterije 

10. produkcija poligalakturonske kisline omehča rastlinsko tkivo, kar 

omogoča bakteriji penetracijo 

11. bakterija naredi infekcijsko nit v kateri so celice urejene tako, da se 

dotikajo konec s koncem v dolgo nit, ki je obložena s polisaharidi 

12. infekcijska nit doseže koreninski korteks, kjer tetraploidne rastlinske 

celice začno ustvarjati tkivo za fiksacijo, okoliško tkivo z normalnimi 

diploidnimi celicami poveže nodul z vaskularnim tkivom 

30


13. rizobiji se množijo v inficiranem tkivu ter delajo celice neregularnih 

oblik in zelo velike celice imenovane bakteroidi 

14. bakteroidi nimajo kromosoma in postanejo celice, ki imajo 

nitrogenazni kompleks 

15. bakterija producira hem, medtem ko rastlina producira globin 

16. hem in globin se združita in nastane leghemoglobin, kooperativna 

molekula za vezavo kisika, ki dovaja bakteroidom kisik za ATP 

produkcijo, leghemoglobin je rdeče obarvan 

31

Dinamika nastanka nodula 

• adhezija rizobijev na korenino (~ 1 min po inokulaciji) 

• rizobiji se namnožijo (~ nekaj ur) 

• zvijanje koreninskega laska (~ 5 ur po inokulaciji) 

• infekcijska nit postane vidna (~ 3 dni po inokulaciji) 

• noduli postanejo vidni (~ 5-12 dni po inokulaciji) 

• fiksacija dušika (~ 15 po inokulaciji) 

32

Faktorji, ki vplivajo na simbiontsko fiksacijo 

dušika 

•specifičnost rastline in rizobija (vsi rizobiji ne tvorijo nodul, kljub temu 

da lahko inficirajo rastlino) 

• rizobiji, ki jih dodajamo tlem, 

so običajno slabi konkurenti že obstoječim v tleh 

•pH (pH nižji od 6 močno zmanjša fiksacijo) 

• dostopnost fosforja, molibdena, žvepla, kobalta, niklja in železa 

poveča fiksacijo 

• gnojenje z mineralnimi dušikovimi gnojili inhibira 

simbiontske in prostoživeče fiksatorje 

33

Simbioze med neleguminozno rastlino in 

fiksatorjem dušika 

•večina simbiontskih asociacij fiksatorjev dušika je na leguminozah 

• poleg tega obstajajo tudi asociacije, ki omogočajo nastanek nodulov 

med aktinomicetami, rizobiji, cianobakterijami in rastlinskimi vrstami 

kot so Alnus, Myrica, Hippophae, Comptonia, Causarina, Dryas, 

Cycas, Gunnera in mahovi 

34

Primer simbioze med rastlino (Gunnera) in 

cijanobakterijo (Nostoc) 

Cijanobakterija se nahaja v medceličnem prostoru. Po infekciji pride do 

morfoloških sprememb cijanobakterije. 

prosta oblika zunaj 

rastline 

gibljiva oblika inducirna 

z rastlinskimi eksudati 

heterociste 

oblika vrastlini 

35

Supersimbiont: cianobakterija Nostoc 

Nostok lahko naredi simbiozo z: 

• rastlinami 

•algami 

• dinoflagelatami 

• koralami 

36

Fiksacija dušika in gojenje riža 

Riž predstavlja za ~ 2/3 človeštva osnovno hrano, 

za soliden pridelek ni nujno potrebno gnojenje z dragimi dušikovimi gnojili. 

Od 30-50 kg N/ha prispevajo anaerobni heterotrofni fiksatorji, 

cianobakterije, anoksigeni fototrofi in simbiontske cianobakterije. 

Takšno okolje je primerno za fiksatorje dušika, zato ker: 

• je vodno okolje v splošnem ugodno za fototrofe 

•je večinoma anoksigeno, kar omogoča boljše delovanje nitrogenaze 

37

Gojenje riža, fiksacija dušika ter metanogeneza 

38

Interakcije med mikrobi in nadzemnimi deli 


Stebla, listi, cvetovi in sadeži (filosfera) nudijo ugodno okolje za rast: 

• heterotrofov 

• fotosintetskih bakterij 

• kvasovk 

•lišajev 

•alg 

•gliv 

• fiksatorjev dušika. 

39

Vpliv filosferne mikrobne populacije na rastlino 

• nekatere glive lahko rastejo na površini brez vidnih simptomov bolezni 

pri tem producirajo alkaloide, ki ščitijo rastlino 

• pri induciranen sistematskem odgovoru gliva stimulira rastlino 

tako, da producira jasmonsko kislino ali etilen, kar poveča rast rastline 

• nekateri mikroorganizmi (npr. Pseudomonas) lahko povzrčijo zmrzal 

s tem, da povečajo tvorbo kristalov 

• mikrob povzroči bolezenske znake 

40

“Disease usually results from inconclusive negotiations for 

symbiosis, an overstepping of the line by one side or another”. 

Levis Thomas, Lives of a Cell 

41

Patogeni mikroorganizmi rastlin 

Patogeni mikroorganizmi poslabšajo funkcioniranje rastline, 

ji zmanjšujejo sposobnost preživetja in ohranjanja ekološke niše. 

Patogeni mikroorganizmi: 

- znižajo pridelek kmetijsko pomembnih rastlin 

-lahkopovzročijo lakoto in množična preseljevanja ljudi in živali. 

42

Infekcija z rastlinskimi patogeni 

Po kontaktu z rastlino pride do bolezenskih znakov le, če patogen 

kolonizira gostitelja. 

•večina bolezenskih znakov je posledica delovanja encimov patogenih 

mikroorganizmov (npr. pektinaze, celulaze in hemicelulaze) 

• razgradnja rastnih faktorjev povzroča majhnost rastlin 

• produkcija giberilinov in citokinov povzroča nastanek tumorjev 

43

Infekcija z rastlinskimi patogeni 

Toksini, ki jih producirajo patogeni mikroorganizmi interferirajo z 

normalnim metabolizmom rastlin, kar lahko povzroča spremembo: 

- permeabilnosti membran 

- sprememnjeno respiracijo 

-fiksacijoCO 2 in klorozo. 

44

Erwinia amylovora 

Razširjanje: 

dež in insekti 

45

Prenos patogenih mikroorganizmov med 

okuženimi rastlinami 

•večina patogenih gliv se prenaša s pomočjo spor, 

nekatere glive prenašajo insekti, nematode 

•večina virusnih bolezni se prenaša z insekti in nematodami 

• bakterijske bolezni največkrat prenašajo insekti in nematode 

• mikrobi lahko vstopajo v gostitelja preko naravnih odprtin 

(npr. listne reže ali rane), 

lahko pa vstopajo aktivno s pomočjo encimov 

46

Aktivna obramba rastlin pred patogenimi 

mikroorganizmi 

Rastline nimajo aktivne imunosti kot živali imajo pa veliko pasivnih 

imunskih mehanizmov, ki preprečijo razmnoževanje ali razširjanje 

mikroorganizmov po rastlini 

• produkcija fitoaleksinov (policiklične in poliaromatske spojine) 

• hipersenzitivne reakcije 

•nekroze 

• imunizacija pred infekcijo s sorodnimi virusi (anti sense RNA). 

47

Zaščitni ukrepi za zmanjšanje rastlinskih bolezni 

• uporaba selekcije za povečanje anatomske in biokemijske odpornosti 

(npr. povečana kutikula) 

• kolobarjenje rastlin 

• zmanjševanje stresa rastlin (povečan stres vodi do povečane količine 

rastlinskih eksudatov, hrane za mikroorganizme) 

• uporaba supresivnih mikroorganizmov 

48

Zaščitni ukrepi za zmanjšanje rastlinskih bolezni 

• zmanjšanje rezervoarja za patogen mikroorganizem (npr. odstranitev 

Berberis vulgarisa pri žitni rji, semenskega krompirja v krajih, kjer ni breskev) 

• dezinfekcija semen 

• odstranjevanje okuženih rastlin 

•izogibanje večletnim monokulturam, sistem rotacije 

49

Zmanjšanje rastlinskih bolezni - supresivna tla 

• Splošno supresivna tla – redukcija patogenih mikroorganizmov je 

posledica celotne mikrobne združbe: 

– ne moremo prenesti zaščite s posameznim mikrobom 

– ne uporabljamo pri aktivni zaščiti pred boleznimi 

– primer: supresija Pythium sp. korelira z metabolno aktivnostjo in 

skupnim profilom maščobnih kislin v tleh 

• Specifično supresivna tla – redukcija patogenih mikrobov ja posledica 

individualne ali selektivne skupine mikroorganizmov: 

– supresivnost lahko prenesemo s prenosom mikrobov 

– hiperparazitizem je koreliran z zmanjšanjem patogenosti 

– uporabljamo za kontrolo bolezni 

– primer: uporaba Pseudomonad za zaščito pred Gaeumannomyces 

graminis var. tritici 

50

Primer uporabe antagonizma pri zaščiti rastlin 

• na odžaganih panjih iglavcev se naseli Heterobasidion annosum, 

ki razgradi odmrele panje, 

obenem pa inficira tudi korenine zdravih dreves 

• če se na odžagane panje najprej naseli Peniophora gigantea 

le ta prepreči rast parazitski glivi 

51


•bakterija Agrobacterium tumefaciens povzroča rastlinski rak, 

če je na rastlini predhodno Agrobacterum radiobacter, 

ki producira agrocine se A. tumefaciens ne more uveljaviti 

• če namakamo rastline v suspenzijo A. radiobacter, 

potem ne pride do rastlinskega raka 

52


• Bacillus subtilis kontrolira rast Fussarium sp., 

ki povzoča gnitje stebel rastlin 

• po rezi sadnega drevja se v rane lahko naselijo Nectria galligen ali 

Stereum purpureum, ki povzročajo bolezni, 

to preprečimo, če škropimo s sporami Trichoderma viridie 

• Pseudomonas fluorescens producira pseudobaktin (siderofor z visoko 

afiniteto za Fe), ki prepreči rast patogene glive Fusarium spp. 

53


• Pseudomonas fluorescens in P. aureofaciens omogočata zaščito pred 

povzročitelji bolezni žit Gaeumannomyces graminis var. tritici 

• dodatek Bacillus in Streptomyce semenom za zaščito pred Rhizoctona 

solani 

• Burkholderia cepacia omogoča zaščita pred Pythium aphanomyces, 

ki povzroča gnitje korenin graha 

54

Uporaba Burkholderia cepacia v anatagonizmu 

• prehransko versatilna, G- bakterija 

• Burkholderia je genetsko verzatilna, ima 4 replikone, kar ji omogoča 

homologno in nehomologno rekombinacijo 

• najdemo jo v tleh in vlažnih okoljih, 

• je oportunistični patogen na človeku, 

• je patogena za čebulo 

• lahko razgradi klorinirane aromatske spojine (npr. 2,4,5 chlorophenoksi 

ocetno kislino) 

55

Uporaba Burkholderia cepacia v anatagonizmu 

• je antagonist številnih talnih rastlinskih patogenov (npr. Alternaria, 

Aphanomyces, Botrytis, Cylindrocarpon, Fusarium, Pythium, Rhizoctonia) 

• proizvaja različne protiglivne substance (npr.Cepacin A and B, 

Cepalicin, Pirolnitrin) 

• uporabna za zatiranje talnih patogenov (npr. Fusarium, Pythium), 

nematod, zaščito kulturnih rastlin (npr. lucerna, ječmen, fižol, 

detelja, bombaž, grah, sorgum, pšenica) 

• komercialni produkti: Blue Circle, Deny, Precept 

56

Produkcija antagonističnih substanc 

organizem produkt zatiranje 

Enterobacter cloacae amonijaka Pythium ultimum, Rhizoctonia solani, 

Verticillium dahliae 

Trichoderma harzianum alkil piron zatiranje R. solani 

Pseudomonas fluorescens cianida zatiranje Thielaviopsis basicola 

57

Produkcija antagonističnih substanc izoliranih iz 

Streptomyces vrst 

substanca vir uporaba 

Basticidin S S. grisochromogens fungicid 

Polioksin S. cacaoi fungicid 

Validamicin A S. hygoscopius fungicid 

Streptomicin S. griseus bakteriocid 

Oksitetraciklin S. rimosus baktericid 

Poliaktin S. aureus insekticid 

Milibemektin S. hygoscopius insekticid 

Bilanafos S. hygoscopius herbicid 

58

Uporaba predatorskih gliv kot način zaščite 

rastlin 

• nekatere predatorske glive (npr. Trichoderma harzianum, Trchoderma 

hamatum, Laetisaria arvalis) se prehranjujejo s patogenimi glivami 

59

Uporaba gliv kot herbicidov 

• patogene glive lahko uničijo rastline, 

v kolikor gre za specifično interakcije med plevelom in patogeno glivo 

jih lahko uporabimo za zatiranje plevela 

• uporabno vrednost imajo npr. Colleotrichum xanthii, Cercospora eupatorii, 

Pukcinia chondrillina, Alternaria cuscutacidae, Uromices rumicis 

• komercialnih preparatov ni veliko 

60

Agrobacterium tumefaciens 

• rastlinski parazit, ki povzroča rak rastlin 

• formiranje tumorja (hiperplazija), 

je posledica porušenega ravnotežja rastlinskih hormonov, 

povzroči sintezo auksinov in citokininov 

• bakterija sintetizira oktopin ali nopalin, 

ki jih uporablja za pridobivanje rastlinskega ogljika in dušika 

• bakterija živi v intercelularnem prostoru 

• razvoj tumorja se začne 10-14 po infekciji 

61


• vsebuje velik (~ 250 kbp) tumor inducirajoči plazmid imenovan 

Ti plazmid 

• del Ti plazmida se lahko prenese med bakterijsko in rastlinsko 

celico in se stabilno integrira v rastlinski genom 

• ssDNA fragment je konvertiran v dsDNA fragment s pomočjo 

rastlinske celice 

• dsDNA je potem integrirana v rastlinski genom 

62


Kako je T-DNA modificirana, da lahko vnesemo željene gene? 

• T-DNA geni, ki povzročajo nastanek tumorja, 

so izrezani in zamenjani z željenimi geni z ustrezno regulacijsko kontrolo 

• insercijski geni plazmida se ohranijo 

• dodani so selekcijski markerji (geni za rezistenco na antibiotike, geneticin, 

higromicin) 

• Ti plazmid je reintroduciran v A. tumefaciens 

• A. tumefaciens je ko-kultiviran z diski rastlinskih listov pri pogojih, 

ki stimulirajo razvoj kalusa 

• dodan je antibiotik (npr. kloramfenikol), da se uniči A. tumefaciens 

• dodan je geneticin ali higromicin, da se odstranijo vse netransgene 


63

Uporaba gensko spremenjenih rastlin 

•BT rastline 

• vgradnja kapsidnih plaščnih proteinov virusov v rastline (npr. TMV za 

zaščito pred virusi) 

• uporaba genov za rezistenco iz sorodnih divjih vrst kulturnih rastlin 

za zaščito pred bakterijami, glivami, nematodami 

64

Interakcije med mikrobi in rastlinami

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?