WYKA
ADY
METODY
BIOTECHNOLOGICZNE
(Biologicznej ochrony roślin
i Bionawo\
enia
[Promowania Wzrostu Roślin
i Udostępniania składników od\
ywczych ]
W OCHRONIE ŚRODOWISKA
Jolanta Jaroszuk-Ściseł
[e-mail]
Zakład Mikrobiologii Środowiskowej
Instytut Mikrobiologii i Biotechnologii, Wydział Biologii i Biotechnologii, Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej
20-033 Lublin, ul. Akademicka 19, p. 116A,
Tel. [phone]
Godziny konsultacji: poniedziałek 1400-1500, czwartek 1400-1500
Przed czym mogą chronić środowisko
metody biologicznej ochrony roślin i bionawo\
enia?
Przed:
1.
agrofagami
2.
chorobami roślin
środkami chemicznej ochrony roślin
3.
4.
nadmiernym nawo\
eniem mineralnym
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
Interdyscyplinarność
metod biologicznej ochrony roślin i bionawo\
enia
Połączenie:
mikrobiologii, biochemii, fitopatologii,
botaniki, fizjologii roślin, uprawy roślin,
ekonomii, prawa
IPM integrated pest management
integrowana ochrona roślin
SAR, ISR, IR, HR system immunologiczny
indukowana odporność
Elicytor induktor odporności
Endofit np. grzyb mykoryzowy, diazotrof&
PGPR, PGPF, DRMO szczepy promujące wzrost i szkodliwe
Struktura mufko-podobna RBC + strzępki w strefie wierzchołkowej
Monotropa Mykoryza korzeniówki
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
ZAGADNIENIA
Rodzaje oddziaływań roślina-mikroorganizm Podział drobnoustrojów wchodzących w relacje z rośliną,
Endofity, Klasy genów patogeniczności, Strategie dyspersji patogena  gospodarza,
Indukowana odporność roślin i elicytory odporności
Induktory odporności roślin, jako grupa fungicydów. Typy odporności roślin; Krzy\
owe oddziaływanie substancji sygnałowych i
hormonów, Elicytory odporności: działanie, rozpoznanie, typy, elementy odpowiedzialne za aktywność Szlaki tworzenia
odporności roślin: tworzenie substancji sygnałowych i ich formy Białka patogenezozale\
ne: klasy, aktywność; Enzymy
markerowe w odporności roślin; Skuteczność elicytorów; Perspektywy wykorzystania: Zjawisko  priming .
Komórki Graniczne Korzenia
Komórki graniczne (KG) czapeczki korzenia jako element oddziaływań mikroorganizmów z roślinami. Definicja i proces
tworzenia KG, Liczebność KG i zale\
ność liczebności od ró\
norodnych czynników. Rodziny roślin uwalniające KG.
Enzymatyczne markery uwalniania KG. Czynniki wpływające na uwalnianie KG. Typy interakcji KG z mikroorganizmami.
Mykoryzosfera
Grzyby mykoryzowe - podział mykoryz. Korzyści symbiotyczne z rozwoju mykoryzy: zaopatrzenie w składniki pokarmowe;
regulacja pobierania pierwiastków. Znaczenie środowiskowe mykoryzy. Pojęcie mykoryzosfery.
Interakcje między mikroorganizmami
Klasyfikacja oddziaływań między- i wewnątrzgatunkowych. Neutralizm; Komensalizm  sukcesja komensalistyczna (metabioza);
Protokooperacja; Mutualizm; Symbioza; Amensalizm; Paso\
ytnictwo i drapie\
nictwo: Przyczyny zrównowa\
onego ataku
paso\
ytniczego; Udział paso\
ytnictwa i drapie\
nictwa w tworzeniu poziomów troficznych; Mykopaso\
ytnictwo (podział, etapy):
Mykoliza (systemy enzymów litycznych). Zjawisko mykostazy (przyczyny i skutki). Konkurencja: Konkurencja o \
elazo:
Charakterystyka sideroforów i systemu aktywnego transportu; Regulacja specyficznego pobierania Fe. Poziom i formy
sideroforów glebowych; Mechanizm konkurencji sideroforowej o Fe pomiędzy mikroorganizmami w ryzosferze roślin.
Biopestycydy
Rynek biopestycydów, Lista biopestycydów OECD . Pojęcie biokontroli, szkodnika i patogena. Redukcja populacji szkodnika EIL
i AIL, Bezpośrednie i pośrednie oddziaływania mikroorganizmów ochraniających (odporność roślin). Efekt bumeranga. Gleby
konduktywne i supresyjne. Preparaty handlowe biologicznej ochrony roślin (choroby, rośliny chronione, typy formulacji
biopestycydów); Metody biokontroli: introdukcja, kolonizacja, protekcja, walka genetyczna i odporność. Program IPM.
Promowanie wzrostu roślin: Mikroorganizmy syntetyzujące fitohormony, model Glicka, aktywność deaminazy ACC
Bionawo\
enie: Dostępność i krą\
enie NPK, Mikroorganizmy wia\
ące i udostępniające pierwiastki biogenne: Diazotrofy, PSM
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
AGROFAGI są to wszystkie \
ywe organizmy,
których populacja powoduje szkody gospodarcze
(w produkcji zwierzęcej, w uprawach lub w produktach przechowywanych)
Do agrofagów zaliczamy:
1. patogeny:
-wirusy i wiroidy
-fitoplazmy
-bakterie
-grzyby
-paso\
ytnicze rośliny
nasienne
2. szkodniki
-nicienie
-stawonogi
-owady
-ślimaki
-kręgowce
3. chwasty
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
AGROFAGI są szkodliwe ze względu na to,
\
e konkurują z człowiekiem o pokarm, zmniejszając ilość i jakość plonu
Potencjalnie szkodliwy organizm staje się agrofagiem je\
eli spełnionych jest pięć warunków :
1.obecna jest roślina \
ywicielska,
2.środowisko jest korzystne zarówno dla rośliny jak i organizmu szkodliwego,
3.czas sprzyja interakcji między rośliną i organizmem szkodliwym,
4.człowiek i organizm szkodliwy konkurują w stosunku do rośliny,
5.stopień uszkodzenia rośliny obni\
a ilość lub jakość plonu.
Zanim więc potencjalnie szkodliwy organizm zostanie uznany za agrofaga musi mieć mo\
liwość
zwiększenia populacji do rozmiarów stwarzających realne zagro\
enie.
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
Etapy podejmowania decyzji o zwalczaniu
AGROFAGA
1. Identyfikacja agrofaga
2. Określenie populacji
3. Określenie uszkodzeń i strat
w ujęciu ekonomicznym
4. Przegląd dostępnych taktyk
5. Określenie mo\
liwych interakcji:
agrofag zidentyfikowany 
inne agrofagi 
organizmy po\
yteczne
6. Przegląd lokalnych ograniczeń
środowiskowych
i społeczno-prawnych,
ocena interakcji
z innymi zabiegami uprawowymi
7. Podjęcie decyzji
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
Przegląd trzech głównych dostępnych taktyk ochrony
Działanie na agrofagi mo\
e być bezpośrednie (na organizm agrofaga) lub mo\
e mieć
na celu taką zmianę ich zachowania, aby nie powodowały niedopuszczalnych strat.
Metody prewencyjne (zapobieganie inwazji agrofagów na nowe tereny przez
kwarantannę roślin i metody agrotechniczno-higieniczne) oraz
Metody interwencyjne (chemiczne, mechaniczne, fizyczne i biologiczne).
Działanie na rośliny uprawiane ma na celu
zwiększenie ich odporności metodami genetycznymi i agrotechnicznymi
(hodowla i uprawa roślin odpornych, uodparnianie roślin, zmianowanie roślin).
Działanie na środowisko ma na celu taką jego zmianę, aby było
mniej korzystne dla rozwoju agrofaga,
bardziej korzystne dla roślin uprawianych lub
bardziej korzystne dla naturalnych wrogów agrofaga.
Do działań tych nale\
ą wszystkie metody wpływające na cechy siedliska:
np. lokalizacja upraw poza zasięgiem potencjalnych z
ródeł infekcji,
zabiegi uprawowe i regulujące mikroklimat pola, nawo\
enie, itd
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
Rodzaje interakcji organizmów z roślinami
Rodzaje interakcji organizmów z roślinami
Rodzaje interakcji organizmów z roślinami
Rodzaje interakcji organizmów z roślinami
Korzystne
wiązanie N2
wspomaganie
biologiczna
wzrostu
ochrona
pobieranie
wody
antybioza
stabilizacja
gleby
Populacje symbioza
Mikroorganizmów
wydzielanie
składników
Ryzosferowych
odżywczych
chorobo-
twórczość
uwalnianie
enzymów
fito-
toksyczność
przyleganie
konkurencja
allelopatia
Szkodliwe
Neutralne
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
PODZIAA
Y DROBNOUSTROJÓW WCHODZ
CYCH W RELACJE Z ROŚLINAMI
(1) Epifity (2) Endofity
KAŻDA ŻYJ
CA ROŚLINA MA SWOJEGO ENDOFITA -
Fisher P.I. i Petrini O. 1992 New Phytologist
Endofityczne grzyby pierwotnie podzielono na dwie grupy:
(1)saprotrofy (2) potencjalne patogeny
(1) biotrofy (w tym epifity)
(2) endofity endotroficczne
(3) endofity ektotroficzne
(4) nekrotrofy (~ pertrofity)
(5) saprotrofy
(1) biotrofy - pasożyty bezwzględne - obligatoryjne 
bytujące wyłącznie na żywych tkankach;
(2) hemibiotrofy - pasożyty względne - fakultatywne -
(3) pasożyty okolicznościowe  odżywiające się martwą materią organiczną,
w sprzyjających warunkach zdolne do atakowania zdrowych roślin;
(4) pertrofity - nekrotrofity kolonizujące obumarłe tkanki
[Mendgan i Hahn, 2002; Borecki, 2001]
Endofity obligatoryjne przestrzeni komórkowych i endofity komórkowe
(zasiedlające naczynia ksylemu, korek i korę) skutecznie są ukryte podczas dezynfekcji,
natomiast mniejsze szanse mają endofity fakultatywne zasiedlające miejsca zranień.
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
DEFINICJE ENDOFITÓW
1. Endofity to grzyby i bakterie, które większość swego cyklu przeżywają bezobjawowo
wewnątrz tkanek roślinnych.
2. Endofity to grzyby lub bakterie, które całość lub część swojego życia, spędzają w żywych
tkankach gospodarza często powodując niezauważalne objawy wewnątrz tkanek, ale nie
dające zewnętrznych objawów choroby (Wilson 1995).
Ewoluowanie pojęcia endofita
niemykoryzowe grzyby (drobnoustroje) wewnętrzne,najczęściej posiadające uproszczony cykl życiowy
(anamorfa-aseksualny endofit mutualistyczny) występują w żywych tkankach roślin
nie wywołując wyraz
nych objawów chorobowych
Chlebicki 2002. Polish Bot. J., Coombs i in. 2003 Appl. Environ. Mikrob., 2004. Biological Control
odbywają cały (lub część?) cykl życiowy w organach roślinnego gospodarza(y) bez wywoływania uszkodzeń,
czyli wchodzą z rośliną w interakcję mutualistyczną lub neutralnie symbiotyczną;
mogą tworzyć spory lub sporokarpy na gospodarzu;reprezentowane głównie przez workowce;
znajdowane w roślinach kwiatowych, mchach, wątrobowcach, paprociach i nagonasiennych.
mogą produkować substancje toksyczne
utrudniające kolonizowanie żywiciela przez patogenów i roślinożerców Chlebicki 2002. Polish Bot. J.
oraz substancje wzrostowe wzmagające kiełkowanie Faeth i Sullivan 2003
wytwarzają egzoenzymy konieczne do kolonizacji i wzrostu w apoplaście ich gospodarza.
Schulz B. i in. 2002 Mycological Research
Poza uzyskaniem dostępu do roślin przez naturalne otwory lub rany, endofity wydają się aktywnie
penetrować tkanki roślinne za pomocą enzymów hydrolitycznych (np. celulaz i pektynaz).
Ponieważ enzymy te są również wytwarzane przez patogeny, potrzebne są nowe z
ródła wiedzy na temat ich
regulacji i ekspresji ich genów (Solomon i in. 2003).
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
PODZIAA
Y DROBNOUSTROJÓW WCHODZ
CYCH W RELACJE Z ROŚLINAMI
4 klasy endofitów
Wg Partida-Martinez i Heil (2011)
1. mykoryzujące;
2. bakterie Rhizobium - mutalistyczne związki roślina-mikoorganizm
roślin z rodziny Fabaceae oraz bakterii z rzędu Rhizobiales;
3. grzyby endofityczne Typu I (clavicipitaceous) 
do I typu grzybowych endofitów taksonomiczne należą endofity rodziny z
Clavicipitaceae przenoszone przez nasiona gospodarzy oraz powodujące
systemiczne infekcje wybranych gatunków traw.
Zachodzi to za sprawą produkcji alkaloidów.
Endofity typu I przyczyniają się do odporności ich roślinnych gospodarzy na
roślinożerców. Zwiększają też odporność na suszę oraz nadmiar wody, powodują
wzrost produkcji biomasy a w konsekwencji  większą zdolność konkurencji
roślinnych gospodarzy.
4. grzyby endofityczne Typu II (nie clavicipitaceous) 
grzyby należące zarówno do Ascomycota jak i Basidiomycota - gatunki grzybów
należących do Ascomycota są zazwyczaj dominujące
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
Do najlepiej poznanych bakterii endofitycznych należą:
wiążący azot Acetobacter diazotrophicus
oraz Herbaspirillum rubrisubalbicans,
kolonizujące metaksylem i sąsiadujące z nim przestwory
w liściach Sorghum, Oryza i Zea.
Grzyby endofityczne specyficzne dla określonego gatunku gospodarza
kolonizują go systemicznie,
wydzielając toksyczne metabolity, zabezpieczające rośliny
przed żerowaniem szkodników (owady, nicienie).
Modelowym przykładem takich powiązań są grzyby:
Acremonium typhinum, A. chrysogenum,
Tritirachium album, Aspergillus fumigatus czy
Beauveria bassiana
zasiedlające gatunki traw: Poa, Festuca i Lolium.
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
INTERAKCJE ENDOFITYCZNE
JAKO WYSPECJALIZOWANY RODZAJ SYMBIOZY
Korzyści grzybowego endofita:
zaopatrzenie w składniki odżywcze,
ochrona i wspomaganie rozprzestrzenienia przez gospodarza
Korzyści rośliny:
? ochrona przed roślinożercami (głównie owadami) przez mikotoksyny grzybowe
? wzmocnienie (promowanie) wzrostu wegetatywnego
? poprawienie odporności na stres np. suszę (Tejesvi i in. 2007; Sturzi i Nowak 2000).
Niekorzystne objawy oddziaływania grzybowego endofita:
? interferowanie z płciowym rozmnażaniem roślin
? drobne zmiany nekrotyczne
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
Kontinuum saprotrof-patogen jako wynik reakcji obronnej roślinnego gospodarza
i inwazyjności patogena (Whalen i Sampedro, 2009)
Typ interakcji grzybowy endofit roślinny gospodarz
wynika z ustalenia stanu równowagi
pomiędzy wirulencją grzyba a obronnością rośliny.
Zakłócenie tej równowagi
w wyniku obniżenia zdolności obronnych rośliny lub
wzrostu wirulencji grzyba
powoduje rozwój choroby (Schulz i Boyle 2005).
Istnieje ścisła zależność pomiędzy patogenem a podatnym na niego gospodarzem,
ale nawet jeśli patogen trafi na podatnego gospodarza,
to rozwój choroby będzie uzależniony od warunków środowiska (Whalen i Sampedro 2009).
Pojawienie się choroby wymaga spełnienia jednego lub więcej następujących warunków:
- patogen musi być wysoko wirulentny;
- warunki środowiska muszą być sprzyjające bardziej dla patogena niż dla gospodarza;
- gospodarz jest jednorodny genetycznie, intensywnie lub stale rośnie;
Kontinuum endofit-
nie ma innych organizmów zdolnych naturalnie ograniczyć populację patogena.
Patogen to organizm, który czerpie korzyści z drugiego,
z włączeniem w to czynników wirulencji, toksyn, CWDE oraz innych mechanizmów,
patogen
które powiązane są ze zdolnością patogena do penetrowania organizmu gospodarza
i powodują jego osłabienie lub choroby.
JAKIE CECHY GRZYBOWEGO PARTNERA (ENDOSYMBIONTA?)
JAKIE CECHY GRZYBOWEGO PARTNERA (ENDOSYMBIONTA?)
JAKIE CECHY GRZYBOWEGO PARTNERA (ENDOSYMBIONTA?)
JAKIE CECHY GRZYBOWEGO PARTNERA (ENDOSYMBIONTA?)
DECYDUJ
O EFEKCIE INTERAKCJI ROŚLINA-GRZYB?
DECYDUJ
O EFEKCIE INTERAKCJI ROŚLINA-GRZYB?
DECYDUJ
O EFEKCIE INTERAKCJI ROŚLINA-GRZYB?
DECYDUJ
O EFEKCIE INTERAKCJI ROŚLINA-GRZYB?
Wiele zespołów badawczych usiłuje odnalez
ć kluczowy -  uniwersalny gen patogeniczności.
Problem ten wyłania się w badaniach nad różnymi zagadnieniami m. in.:
Odpowiedzi obronnej rośliny na inokulację patogenem i niepatogenem
(niepatogeny wywołują wcześniejszą i silniejszą odpowiedz
obronną ?)
Funkcji komórek granicznych czapeczki korzeniowej,
(różnice w oddziaływaniach z RBC  zdolność tworzenia struktury:  mufko-podobnej)
Zasięgu (typu) kolonizacji organów roślinnych
(niepatogeniczne-epiderma, patogeniczne-warstwa korowa oraz /u części fitopatogenów np: F. oxysporum/ wiązki przewodzące;
u niektórych gatunków roślin barierą dla patogena (np: F. culmorum) mogą być suberynowe lamelle endodermy
Genotypu i ekspresji genów ( patogeniczności ) szczepów fitopatogenicznych
Znaczenie poszczególnych genów w patogeniczności wykazano
Znaczenie poszczególnych genów w patogeniczności wykazano
u 7 z 15 zbadanych mutantów F. oxysporum
dla 7 z 17 zbadanych mutantów C. purpurea
DI PIETRO,2003 TUDZYNSKI i SCHE`FFER 2004
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
Klasy  genów patogeniczności
Gwałtownie wzrosła liczba wykrytych i scharakteryzowanych tzw.
 genów patogeniczności ,
które definiowane są jako geny konieczne dla rozwoju choroby
ale nie istotne dla fitopatogena i jego cyklu życiowego in vitro,
co nie ma zastosowania w przypadku obligatoryjnych pasożytów
[Idnurm i Howlett, 2001].
Wyróżnia się co najmniej 6 klas  genów patogeniczności odpowiedzialnych za:
1.Produkcję struktur infekcyjnych (biosyntezę melaniny, hydrofobin, białek błonowych);
2.Degradację kutykuli i ściany roślinnej (syntezę CWDE i kutynaz);
3.Reagowanie fitopatogenów na środowisko (toksyny) gospodarza;
(enzymy degradujące toksyny, warunkujące metabolizm cukrów (inwertaza, trehalaza),
adeniny, argininy, metioniny);
4.Syntezę gospodarzo-specyficznych i gospodarzo-niespecyficznych toksyn;
5.Powstanie kaskad sygnałowych (białka G, kinaz MAP i cAMP-zależnej);
6.Przełączanie (switch) patogena w endofita, biotrofa w nekrotrofa 
tzw  nowe geny patogeniczności
Różnice w cechach fizjologicznym decydujące o miejscu grzybowego partnera rośliny
w kontinuum patogen-saprotrof
są ilościowe a nie jakościowe
Grass G. 1991 J. Basic Microbiol.
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
Struktury infekcyjne mikroorganizmów
Badania nad przebiegiem infekcji czy kolonizacji roślin skupiają się głównie na szukaniu
podobieństw i różnic w budowie
struktur infekcyjnych (apressorium, haustorium, arbuskuły, nici infekcyjne) endosymbiontów
Zasadnicza różnica polega
na odkładaniu się
kallozy (�-1,3-glukanu)
w postaci apozytów
roślinnej ściany,
nieobecnej w normalnych
symbiosomach, w
interakcji z patogenem
[Parniske 2000] .
oraz kierunku i jakości wymienianych pomiędzy partnerami metabolitów [Parniske 2000].
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
Kontinuum relacji grzyb-roślina
Symbioza Patogeneza
Mykoryza Biotroficzna
Nekrotroficzna
Armillaria mellea
(Opieńka miodowa)
Biała zgnilizna
Metody biokontroli i bionawo\
enia w ochronie środowiska  Wykład 1 (2014)
Strategie dyspersji gospodarza i patogena determinujące przestrzenną interakcję
Burdon i Thrall, Science, 2009
1. Patogena2. Patogena=gospodarza 3. Patogena>gospodarza
(choroby odglebowe) (powietrznie rozprzestzeniane rdze)
(wektorowe antraknozy)
odpowiadające tym strategiom specyficzne asocjacje gospodarz - patogen
osłabiająca
zabijająca bezpośrednio hamująca rozmnażanie
gospodarza gospodarza
gospodarza
Anthracoidea fischeri
Puccinia striformiis
Fusarium spp.
na Carex mackenziei
na Triticum avestinum.
antraknoza turzyc