Γιατί είναι σημαντική η συμβίωση Rhizobia-Legume;

Μια συμβιωτική σχέση είναι μια αμοιβαία επωφελής σχέση μεταξύ δύο ανόμοιων οργανισμών. Η συμβίωση ριζοβίου-όσπριου είναι αρκετά ιδιαίτερη, καθώς έχει μεγάλα οφέλη για τη γεωργία και για τη διατήρηση της ισορροπίας μεταξύ των ζωντανών οργανισμών.

Η έννοια της συμβιωτικής σχέσης δεν περιορίζεται σε δύο οργανισμούς. Συνυφαίνει όλα τα ζωντανά πλάσματα σε όλο τον κόσμο, από αυτά που είναι ορατά με γυμνό μάτι μέχρι αυτά που μπορούμε να δούμε μόνο με μικροσκόπιο.

Απλώς ρίξτε μια ματιά στο περιβάλλον σας και μπορεί να βρείτε πολλά παραδείγματα συμβιωτικών σχέσεων. Η σχέση μεταξύ λουλουδιών και μελισσών είναι συμβιωτική. Οι μέλισσες καταναλώνουν το νέκταρ του λουλουδιού ως τροφή και για να φτιάξουν μέλι. Σε αυτή τη διαδικασία, η γύρη συχνά κολλάει στις μέλισσες και καταλήγει σε ένα άλλο λουλούδι μαζί με τη μέλισσα, με αποτέλεσμα την επικονίαση. Αυτό ωφελεί τόσο τα φυτά όσο και τις μέλισσες.

Ας εξετάσουμε ένα από τα πιο αξιοσημείωτα παραδείγματα συμβίωσης στο φυτικό βασίλειο—τη σχέση μεταξύ του βακτηρίου ριζόβιο και των οσπρίων όπως τα φασόλια, οι φακές και τα μπιζέλια.

Αυτή η εικόνα αντιπροσωπεύει τη συμβιωτική σχέση μεταξύ δύο βιολογικά διαφορετικών οργανισμών - των φυτών και των μελισσών. Η μέλισσα παίρνει το νέκταρ για να φτιάξει μέλι και ταυτόχρονα δρα ως επικονιαστικός παράγοντας για το λουλούδι. (Φωτογραφία :Εικόνες δημόσιου τομέα)

Τι σημαίνει μια συμβιωτική σχέση; Γιατί είναι σημαντικό;

Η λέξη «συμβίωση» προέρχεται από την ελληνική λέξη «σύμ» που σημαίνει μαζί και «βίος» που σημαίνει ζωή. Αυτό σημαίνει ότι οι οργανισμοί σε μια συμβιωτική σχέση λειτουργούν αποτελεσματικά όταν εργάζονται μαζί.

Τα οφέλη μιας συμβιωτικής σχέσης δεν περιορίζονται στους οργανισμούς που εμπλέκονται. Είναι επίσης σημαντικά για τη βιόσφαιρα γενικά. Αυτό συμβαίνει επειδή η βιόσφαιρα παρέχει τροφή και καταφύγιο σε άλλους οργανισμούς, κατοικεί τη γη με φυτά και δέντρα, διατηρεί τον πληθυσμό των φυτών και των ζώων, βοηθά στην εξέλιξη των ατόμων κ.λπ.

Τώρα, φανταστείτε ένα σενάριο χωρίς συμβίωση. Δεν θα υπήρχαν κοραλλιογενείς ύφαλοι, ευρεία διασπορά σπόρων και γύρης, μεγάλη ποικιλία φυτών και δέντρων και κινητήρια δύναμη για την εξέλιξη.

Σαφώς, η έννοια της συμβίωσης αντιπροσωπεύει κάτι περισσότερο από μια απλή σχέση.

Τι είναι τα ριζόβια;

Τα Rhizobia είναι μια σημαντική κατηγορία βακτηρίων που υπάρχουν σε μεγάλες ποσότητες στο έδαφος. Αυτά τα εξειδικευμένα βακτήρια ζουν συχνά σε στενή σχέση με ψυχανθή φυτά.

Σε αντίθεση με τα περισσότερα βακτήρια του εδάφους που είναι επιβλαβή και προκαλούν μολύνσεις στα φυτά, η ριζόβια στην πραγματικότητα προάγει την ανάπτυξη των φυτών. Ανήκουν στην κατηγορία των βακτηρίων που ευνοούν την ανάπτυξη των φυτών και βοηθούν τα φυτά να αναπτυχθούν μέσω της «δέσμευσης αζώτου».

Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί χρειάζονται άζωτο για να αναπτυχθούν, ειδικά τα φυτά. Η ριζόβια μπορεί να μετατρέψει το ατμοσφαιρικό άζωτο σε αμμωνία, που είναι ο τρόπος με τον οποίο προωθεί την ανάπτυξη των φυτών, σε μια διαδικασία που ονομάζεται δέσμευση αζώτου .

Μπορεί να αναρωτηθεί κανείς, η ατμόσφαιρα αποτελείται από 78% άζωτο, οπότε γιατί τα φυτά δεν μπορούν να το πάρουν απευθείας από τον αέρα;

Το ατμοσφαιρικό άζωτο είναι αδρανές, πράγμα που σημαίνει ότι δεν αντιδρά εύκολα με άλλες χημικές ουσίες, επομένως το αέριο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί από φυτά ή άλλους ζωντανούς οργανισμούς. Η δέσμευση αζώτου από τη ριζόβια και άλλα βακτήρια που δεσμεύουν το άζωτο μπορεί να μετατρέψει το άζωτο σε μορφές που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από ζωντανούς οργανισμούς για την ανάπτυξη και τη διατροφή τους.

Το διάγραμμα απεικονίζει τον κύκλο του αζώτου. Η δέσμευση αζώτου από τη ριζόβια αποτελεί συχνά το πρώτο βήμα για τη μετατροπή του ατμοσφαιρικού αζώτου σε μια μορφή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τα φυτά. Η ριζόβια μετατρέπει το άζωτο σε ενώσεις αμμωνίου. Μια άλλη ομάδα βακτηρίων, τα νιτροποιητικά βακτήρια, μετατρέπουν το αμμώνιο σε νιτρικά, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τα φυτά. (Φωτογραφία:trgrowth/Shutterstock)

Γιατί η ριζόβια δημιουργεί μια συμβιωτική σχέση με τα όσπρια;

Γνωρίζουμε ότι η ριζόβια δεν μπορεί να στερεώσει άζωτο στο έδαφος χωρίς ένα φυτό να υπάρχει, πιο συγκεκριμένα, ένα όσπριο.

Ο βασικός παράγοντας στη διαδικασία δέσμευσης του αζώτου είναι το ένζυμο νιτρογενάση, το οποίο μειώνει το άζωτο της ατμόσφαιρας σε αμμωνία. Μια βασική πτυχή του ενζύμου νιτρογενάσης είναι η ευαισθησία του στο οξυγόνο.

Επομένως, η δέσμευση αζώτου από τη ριζόβια δεν μπορεί να συμβεί στο ελεύθερο περιβάλλον, καθώς έχει οξυγόνο, οπότε πού συμβαίνει αυτή η διαδικασία;

Εμφανίζεται σε μικρές δομές που ονομάζονται οζίδια, στις τρίχες των ριζών των οσπρίων. Τα οζίδια είναι μικρές εξειδικευμένες δομές που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της ανταλλαγής μορίων σήματος μεταξύ ριζοβίων και ψυχανθών. Το εσωτερικό των οζιδίων της ρίζας παρέχει ένα περιβάλλον με πολύ λίγο οξυγόνο (μικροαερόβιο) για τη διευκόλυνση της δέσμευσης του αζώτου. Η διαδικασία σχηματισμού όζων ονομάζεται όζος.

Τα ριζόβια απομονώθηκαν από τα οζίδια ρίζας των οσπρίων για πρώτη φορά το 1888 από τον Martinus Beijerinck.

Ωστόσο, δεν μπορούν όλα τα ριζόβια να σχηματίσουν οζίδια όλα τα ψυχανθή. Η αλληλεπίδραση μεταξύ ριζόβιας και οσπρίων είναι ιδιαίτερα συγκεκριμένη. Υπάρχουν ορισμένοι γενετικοί παράγοντες που ρυθμίζουν την ιδιαιτερότητα της όζωσης μεταξύ των εμπλεκόμενων εταίρων.

Όταν υπάρχει έλλειψη αζώτου στο έδαφος, τα όσπρια θα απελευθερώσουν χημικές ουσίες που ονομάζονται φλαβονοειδή, τα οποία προσελκύουν τη ριζόβια. Όταν ανιχνεύσει τα φλαβονοειδή, η ριζόβια θα εκκρίνει «παραγόντων νεύματος», που είναι τα βασικά μόρια σήματος.

Τα ριζικά κύτταρα του φυτού έχουν υποδοχείς που μπορούν να αναγνωρίσουν και να δεσμεύσουν τους παράγοντες νεύματος. Η χημική δομή των παραγόντων του νεύματος θα καθορίσει την ειδικότητα της αλληλεπίδρασης, την ικανότητά της να σχηματίζει όζους τον ξενιστή των ψυχανθών.

Αυτό το γεγονός αναγνώρισης θα προκαλέσει αρκετές αλλαγές στο φυτό, σε συνδυασμό με το κατσάρωμα της τρίχας της ρίζας. Αυτό το κατσάρωμα έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό μιας σωληνοειδούς δομής που ονομάζεται νήμα μόλυνσης. Το Rhizobia θα περιηγηθεί στο νήμα της μόλυνσης, θα διαιρεθεί ενεργά και τελικά θα φτάσει στον όζο της ρίζας όπου μπορεί να πραγματοποιήσει δέσμευση αζώτου.

Το διάγραμμα αντιπροσωπεύει τη συμβιωτική σχέση μεταξύ της ριζόβιας και ενός όσπριου. (Φωτογραφία:Nefronus/Wikimedia commons)

Γιατί είναι τόσο ιδιαίτερη η συμβίωση ριζόβιου-όσπριου;

Το φυτό-ριζόβια παράγει ένα μόριο που μοιάζει με αιμοσφαιρίνη που ονομάζεται leghemoglobin με υψηλή συγγένεια για το οξυγόνο. Το τμήμα σφαιρίνης παράγεται από το φυτό, ενώ τα ριζόβια παρέχουν το τμήμα αίμης. Η λεγιμοσφαιρίνη παρέχει οξυγόνο στη ριζόβια και ταυτόχρονα προστατεύει το ένζυμο νιτρογενάση από τις βλαβερές συνέπειες του οξυγόνου.

Η Rhizobia θα μετατρέψει το άζωτο από τον αέρα σε αζωτούχες ενώσεις για τη διατροφή των φυτών. Μέσα στο οζίδιο, τα ριζόβια θα μετατραπούν στη συνέχεια σε μια δομικά διαφορετική μορφή που ονομάζεται βακτηριοειδές και δεν θα χρησιμοποιεί πλέον το άζωτο που καθορίζεται από αυτά. Τα φυτά, με τη σειρά τους, θα παρέχουν προϊόντα φωτοσυνθετικού άνθρακα ως τροφή για τη ριζόβια. Με αυτόν τον τρόπο, και τα δύο είδη παραμένουν σε μια συμβιωτική σχέση και συνεχίζουν να επωφελούνται από το άλλο.

Η Rhizobia μπορεί να προστατεύσει τα φυτά από επιθέσεις επιβλαβών παθογόνων και παρασίτων με άμεσους ή έμμεσους μηχανισμούς. Η ενισχυμένη θρέψη των φυτών λόγω της δέσμευσης αζώτου που προκαλείται από τη ριζόβια καθιστά το φυτό πιο υγιές και ικανό να αντιστέκεται έμμεσα στις επιθέσεις παθογόνων.

Το Rhizobia ενισχύει τη θρέψη των φυτών αυξάνοντας τον ρυθμό πρόσληψης θρεπτικών συστατικών από τις τρίχες της ρίζας από το έδαφος. Η ριζόβια παράγει επίσης αντιβιοτικά και διάφορες άλλες ουσίες που μπορούν να προστατεύσουν το φυτό από άλλα παθογόνα βακτήρια.

Μια τελευταία λέξη

Η σχέση ριζόβιας και ψυχανθών είναι ένα κλασικό παράδειγμα συμβίωσης. Τα οφέλη αυτής της αλληλεπίδρασης δεν περιορίζονται στη διατροφή. Μερικές από τις ενώσεις που παράγονται από τη ριζόβια προστατεύουν τα φυτά από επιθέσεις επιβλαβών παθογόνων και παρασίτων. Προσφέρει επίσης στα φυτά την ικανότητα να αντέχουν το στρες λόγω της αφυδάτωσης και της αλλαγής θερμοκρασίας, επιπλέον της βελτίωσης της ποιότητας του εδάφους, της απόδοσης των καλλιεργειών και της ποιότητας των καλλιεργειών.