1. Podaj sumaryczną reakcję wiązania N2 przez ryzobia i koszt energetyczny tego procesu. W jaki sposób nitrogenaza bakteroidów jest chroniona przed inaktywacją przez tlen?

• N₂ + 8e^- + 8H⁺ + 16ATP -> 2NH₃ + H₂ + 16ADP + 16P_i

• Peryderma i endoderma brodawki oraz glikoproteinowe wypełnienia przestworów międzykomórkowych w jej korze zapewniają ograniczoną kontrolę tempa dyfuzji tlenu do wnętrza brodawki. Warstwa graniczna zbudowana z komórek ściśle przylegających do siebie, będąca częścią kory wewnętrznej pełni funkcję bariery precyzyjnie kontrolującej dyfuzję gazów do tkanki bakteroidalnej. Stężenie tlenu gwałtownie spada na granicy kory i tkanki bakteroidalnej.

• W komórkach z symbiosomami w cytozolu wystepuje leghemoglobina wiąże ona mocno tlen i powoduje że tlenu w około jest mało w ten sposób chroni nitrogenazę

2. Wymień i scharakteryzuj strefy anatomiczne brodawek korzeniowych typu niezdeterminowanego.

• Brodawki niezdetrerminowane są kształtu cylindrycznego. Ich merystem może funkcjonować przez cały sezon wegetacyjny. Tkanka bakteroidalna tych brodawek charakteryzuje się strefowością Polega ona na tym, że obok niedojrzałej tkanki bakteroidalnej występuje także dojrzała.

• W budowie anatomicznej brodawki niezdeterminowanej możemy wyróżnić korę brodawki (kora zewnętrzna, kora środkowa i kora wewnętrzna), merystem brodawki, tkankę bakteroidalną, korę korzenia oraz tkankę przewodzącą (system otwarty).

• W tkance bakteroidalnej wyróżniamy:

• - strefę infekcji

• - wczesną symbiozę

• - strefę przejściową

• - dojrzałą symbiozę

• - strefę starzenia się tkanki bakteroidalnej

• Metystem brodawki

• Zewnętrzne partie merystemu brodawek grochu (b. niezdet.) zbudowane są z komórek diploidalnych, które dzieląc się dają korę zewnętrzną. W centralnej części tego merystemu znajdują się komórki tetraploidalne, których pochodne tworzą korę wewnętrzną i tkankę bakteroidalną.

• Do merystemu brodawek niezdeterminowanych przylega strefa penetracji nici infekcyjnej, w której część komórek będących pochodnymi merystemu jest infekowana, a część pozostaje wolna od bakterii. Powstałe w ten sposób komórki zainfekowane i przylegające do nich komórki niezaifekowane nie mają już zdolności do podziałów.

• W strefie niedojrzałej symbiozy można zaobserwować zmiany cytologiczne w komórkach roślinnych i bakteryjnych. Wzrasta gęstość cytoplazmy podstawowej komórek zainfekowanych. Cytoplazma komórek zaifekowanych i niezaifekowanych grochu zawiera dużą liczbę rybosomów, plastydów, aparatów Golgiego i cystern ER.

• Objawem różnicowania się młodej tkanki bakteroidalnej jest gromadzenie skrobi.

• W stosunku do niedojrzałych bakteroidów, dojrzałe charakteryzują się m.in. powiększonymi rozmiarami, pleomorfizmem, zwiększoną zawartością DNA oraz utratą zdolności dzielenia się. Posiadają aktywną nitrogenazę. Powstający w nich NH₄⁺ wydzielają do cytoplazmy komórek gospodarza, gdzie wykorzystywany jest do syntezy organicznych związków azotowych. Cytoplazma dojrzałych bakteroidów charakteryzuje się dużą heterogennością (u lucerny wynika ona z kondensacji kwasów nukleinowych oraz nagromadzenia się rybosomów). Heterogenność cytoplazmy charakteryzuje tylko bakteroidy zdolne do wiązania azotu.

Sugeruje się, że starzenie się tkanki bakteroidalnej może być wynikiem:

• braku substancji odżywczych

• regulacji hormonalnej

• akumulacji substancji toksycznych

Zarówno komórki roślinne, jak i występujące w nich bakteroidy podlegają lizie. W komórkach zainfekowanych starzeniu podlegają symbiosomy oraz cytoplazma komórek gospodarza. Symbiosom może stać się przedziałem komórki o właściwościach lizosomu. Jest to spowodowane nagromadzeniem się kwasów organicznych w przestrzeni peribakteroidalnej i/lub mniejszą ilością NH₄⁺ wydzielonego do niej przez bakteroidy.

Starzenie się tkanki bakteroidalnej polega na degenaracji cytoplazmy komórek gospodarza i membran peribakteroidalnych.

3. Jakie funkcje mogą spełniać komórki niezainfekowane tkanki bakteroidalnej?

• Komórki niezainfekowane towarzyszą komórkom zainfekowanym tworząc razem tkankę bakteroidalną. Komórki niezainfekowane zajmują tylko 20% objętości tkanki bakteroidalnej, ale liczebnie przeważają nad komórkami zaifekowanymi. Wszystkie komórki zainfekowane są w kontakcie z co najmniej jedną komórką niezainfekowaną.

• Komórki niezaifekowane tworzą szlak transportu różnych substancji pomiędzy tkanką bakteroidalną brodawki a jej korą. Szczególnie dużo plasmodesm występuje w ścianach przylegających do siebie komórek niezainfekowanych tkanki bakteroidalnej.

• Komórki niezaifekowane brodawek zdeterminowanych mają duże peroksysomy oraz rozwinięty system tubularnego endoplazmatycznego retikulum. Komórki te są odpowiedzialne za ostatnie etapy biosyntezy ureidów, tzn. alantoiny i kwasu alantoinowego.

• W brodawkach niezdeterminowanych syntetyzujących amidy, brak zróżnicowania strukturalnego i metabolicznego pomiędzy komórkami zainfekowanymi i niezainfekowanymi.

• W komórkach niezaifekowanych ma miejsce także przemiana sacharozy w kwasy organiczne. Komórki te odznaczają się również wysoką aktywnością karboksylazy fosfoenolopirogronianowej i dehydrogenazy jabłczanowej, co sugeruje, że jabłczan jest głównym źródłem węgla dostarczanego komórkom zainfekowanym.

4. Scharakteryzuj różnice pomiędzy komórkami ryzobiów wolnożyjących a bakteroidami.

Bakteroidy syntetyzują białko stresu, mają zmieniony skład lipopolisacharydów (LPS) charakterystyczny dla hodowli wolnożyjących bakterii narażonych na niskie pH i niskie stężenie tlenu. W stosunku do bakterii wolnożyjących bakteroidy odznaczają się modyfikacją łańcucha oddechowego, dzięki której oddychają tlenowo, mimo bardzo niskiego stężenia tlenu w brodawce. W warunkach niskiego stężenia tlenu w mitochondriach komórek zainfekowanych funkcjonuje tylko część cyklu kwasów trójkarboksylowych, która utlenia jabłczan dostarczając szczawiooctanu i ATP. Związki te wykorzystywne są następnie w procesie asymilacji NH₃, który zachodzi w cytoplazmie podstawowej.

5. Jak dochodzi do wytworzenia czynnika Nod? Jakie są efekty jego oddziaływania na korzeń rośliny?

Korzenie roślin motylkowych wydzielają flawonoidy, które uaktywniają geny nod rizobiów. W efekcie rizobia produkują czynnik NOD będący lipooligochitozanem. Indukuje on podziały komórkowe w korze pierwotnej korzenia. Następnie nowo podzielone komórki są infekowane bakteriami z rozwijającej się w ich pobliżu nici infekcyjnej.

Czynniki NOD składają się z 4-5 reszt N-acetylo-D-glukozoaminy, a w pozycji C₂ jest przyłączony kwas tłuszczowy (łańcuch acylowy). Specyficzność wobec gospodarza zależy od długości i stopnia nienasycenia łańcucha acylowego i od podstawników przy redukującym i nieredukującym końcu reszt glukozoaminowych.

Efekty działania czynnika NOD (steż. 10-6 - 10-12 M):

• skręcanie się włośnika

• depolaryzacja membran

• oscylacje wewnąrzkomórkowego Ca²⁺

• reaktywacja podziałów komórkowych w korzeniu

Synteza czynnika NOD:

NodM - synteza D-glukozaminy (tworzy krótki łańcuch chitynowy)

NodA, B, C - synteza cząsteczki lipochitooligosacharydu

NodE, F - synteza nienasyconego kwasu tłuszczowego i determinacja długości łańcucha acylowego

NodS - transferaza ........

NodL - acetylacja .............

...........................................

NOD wiąże się ze ścianą komórkową - niespecyficznie - lektyny, celuloza.

NOD przypomina strukturą celulozę i może wpływać na jej biosyntezę, jest inhibitorem syntezy ściany komórkowej w wierzchołku włośnika. Kilka sekund po jego podaniu, w cytozolu, w szczytowej części włośnika wzrasta stężenie Ca2+, w wyniku czego następuje depolaryzacja błony włośnika. Po 20-30 minutach następuje zahamowanie wydzielania H2O2 przez włośnik. Następuje reorganizacja cytoszkieletu. Po 1 godzinie ma miejsce skręcenie włośnika. Włośnik tworzy niszę, dzięki której może powstać nić infekcyjna.

6. Porównaj sposoby infekcji i strukturę brodawek ryzobiowych u Fabaceae i u Parasponia sp.

Fabaceae	Parasponia sp.
Infekcja przez włośniki.	Infekcja nie następuje przez włośniki, ale przez rozluźnienie epidermy
Czynnik nod indukuje podziały komórkowe w korze pierwotnej korzenia. Następnie nowo podzielone komórki są infekowane bakteriami z rozwijającej się w ich pobliżu nici infekcyjnej. Następnie zachodzi endocytoza bakterii i powstanie symbiosomów. Podczas dojrzewania nabywają zdolności do redukcji azotu cząsteczkowego do NH4^+	W pierwszym etapie infekowane są przestrzenie międzykomórkowe, a następnie komórki po infekcji pojawiają się wielokomórkowe włośniki
Brodawka nie jest zmodyfikowanym korzeniem. Wyróżniamy 3 typy brodawek: zdeterminowane, niezdeterminowane i kołnierzykowate.	Brodawka jest zmodyfikowanym korzeniem (nawiązanie do brodawek aktynoryzowych Frankia). W brodawce możemy wyróżnić strefy jak w brodawce niezdeterminowanej motylkowatych (strefa merystematyczna, infekcji, tkanki młodszej i dojrzałej symbiozy, degradacji).
W tkance bakteroidalnej komórki zainfekowane i niezainfekowane	W tkance bakteroidalnej komórki zainfekowane i niezainfekowane
Wewnątrz brodawki utrzymywane jest niskie stężenie tlenu, dzięki obecności bariery dyfuzyjnej dla tlenu (peryderma i endoderma brodawki, glikoproteinowe wypełnienia przestworów międzykomórkowych w korze, warstwa graniczna zbudowana z komórek ściśle do siebie przylegających - część kory wewnętrznej), leghemoglobinie wiążącej tlen i właściwościom bakteroidów, które charakteryzują się dużą intensywnością oddychania tlenowego. Bakteroidy zawierają nitrogenazę - enzym odpowiedzialny za wiązanie azotu cząsteczkowego	Pomiędzy korą a tkanką bakteroidalną występuje warstwa graniczna zbudowana z komórek ściśle do siebie przylegających, której rolą jest ograniczanie dostępu tlenu do nitrogenazy. W komórkach brodawki występuje hemoglobina (sekwencyjnie podobna do niesymbiotycznej hemoglobiny klasy I występującej u roślin jedno- i dwuliściennych). Wiązanie azotu atmosferycznego występuje na terenie rozgałęzionych nici ze zmienioną strukturą ściany (delikatna, rozluźniona) i zawierających nitrogenazę.
Bakterie są uwalnianie pojedynczo z zakończenia nici infekcyjnej do cytoplazmy komórki roślinnej, w taki sposób, że każdą z nich otacza membrana peribakteroidalna wykazująca ciągłość z plazmolemmą otaczającą nić infekcyjną.	Bakterie nie są uwalniane do cytoplazmy komórek
Azot transportowany do komórek gospodarza w formie jonów amonowych NH4^+	Nie wiadomo jakie formy azotu są transportowane do komórek rośliny, prawdopodobnie mogą to być glutaminiany i asparaginiany
W brodawkach występują bakterie z rodzajów Rhizobium, Bradyrhizobium lub Azorhizobium	W brodawkach występują bakterie z rodzaju Bradyrhizobiów, ale nie szczepy infekujące rośliny motylkowe
Korzenie roślin motylkowatych wydzielają flawonoidy, które uaktywniają geny nod rizobiów. W efekcie rizobia produkują czynnik nod będący lipooligochitozanem.	Brak informacji o rozpoznaniu symbiontów, ale wiadomo, że geny kodujące Nod A, B, C i D wystepują u Bradyrhizobium

Fabeceae:

A. Sposoby infekcji:

1. korzeń wydziela do otoczenia cząsteczki flawonoidów - substancji będących atraktantami dla bakterii,

2. flawonoidy indukują u bakterii Rhizobium ekspresję genów nod kontrolujących proces tworzenia brodawek, czyli brodawkowanie (nodulację),

3. następuje synteza białek Nod produkujących specyficzne lipooligosacharydy Nod (tzw. czynniki Nod),

4. czynniki Nod wywołują u rośliny deformację włośników korzeniowych, tworzenie pierwotnych (merystematycznych) tkanek brodawki oraz indukcję genów uczestniczących w asymilacji azotu w komórkach rośliny,

5. w późniejszych stadiach kształtowania się brodawki zaktywowane zostają bakteryjne geny nif i fix, odpowiedzialne za przebieg procesów infekcji (tworzenie nici infekcyjnej) i wiązania N2 przez bakterie,

B. Struktura brodawek

- u Fabace brodawki powstają z merystemów innych, niż tych które dają początek korzeniom pocznym

- u fasoli brodawki sferyczne (okrągłe), u grochu cylindryczne

- niezdeterminowane (groch,lucerna, koniczyna) mają strefy w brodawce, zdeterminowane(fasola, łubin) nie mają

- strefy: merystematyczna, młoda tkanka bakteroidalna, strefa przejsciwa, dojrzała tkanka bakteroidalna, strefa starzenia się

Parasponia:

A. Sposoby infekcji:

- symbioza przypomina symbiozę motylkowatych,

- infekcja nie zachodzi przez włośnik,

- infekcja zachodzi w strefie włośnikowej, przez zdegradowaną ścianę ryzodermy (następuje indukcja podziałów komórkowych kory korzenia, rozrastające się komórki rozsuwają komórki epiblemy i tędy następuje infekcja)

- wczesne stadium powstawania brodawki - prebrodawka, w przestrzeni międzykomórkowej widać bakterie infekcyjne

- dwa typy „nici symbiotycznych” - grubościenna międzykomórkowa nić infekcyjna i „fixation thread”, zbliżona do symbiosomu u Fabaceae

-infekcja komórki, czyli tworzenie nici infekcyjnej:

+ rozbudowywana jest ściana komórkowa nici, która wchodzi do wnętrza komórki

+ infekowane są młode merystematyczne komórki

+ w perycyklu inicjowany jest podział, powstaje korzeń boczny

B. Struktura brodawek

- organem symbiotycznym jest zmodyfikowany korzeń,

- przez środek przechodzi walec osiowy - wiązka przewodząca

- merystem brodawki u szczytu korzenia ( nie jest on infekowany)

- strefowość: strefa infekcji (za merystemem), strefa wiązania azotu (w niej komórki zainfekowane i niezainfekowane)

- w komórkach zainfekowanych nie ma uwalniania komórki z nici, tam też zachodzi wiązanie azotu

7. Porównaj symbiozy „liściowe” typu Myrsinaceae i Dioscoreaceae.

Myrsinaceae	Dioscoreaceae
Symbioza obligatoryjna	Symbioza fakultatywna
Brodawki liściowe	Gruczoły liściowe
Powstawanie brodawek rozpoczyna się już w ontogenezie części pędowej (bakteriami zainfekowany jest już stożek wzrostu pędu). Wrotami infekcji są aparaty szparkowe.	Zasiedlane w sposób wtórny.
Komora przedechowa przekształca się w brodawkę liściową (aktywność lityczna enzymów bakterii). Otaczające komorę przedechową komórki miękiszowe dzielą się, tworząc wielokomórkowe włoski wydzielnicze wrastające do brodawki i wytwarzające śluz.	Gruczoł jest przestrzenią zamkniętą przez fałd liścia. Bakterie są otoczone epidermą blaszki liściowej. Po zasiedleniu gruczołu komórki epidermy dzielą się i tworzą włoski wydzielnicze (produkcja śluzu).

Dioscorea - jest to roślina 1-liścienna, dwupienna, wieloletnie pnącze dochodzące do 30 m. Posiada gruczoły liściowe.Zagięta blaszka liściowa tworzy na liściach gruczoły ze śluzem i bakteriami. Bakterie nie występują wewnątrz liścia, tylko na jego powierzchni. Symbioza nie jest obligatoryjna, powstaje podczas rozwoju, gdy tworzą się gruczoły.

Myrsinaceae - bakterie znajdują się w stożku wzrostu, tak więc podczas rozwoju są one zarówna w częściach generatywnych jak i wegetatywnych. Brodawki tworzą się na obrzeżu liścia (20-30 brodawek), infekcja zachodzi przez aparaty szparkowe. Komora pod aparatem szparkowym powiększa się, wytwarzany jest śluz, komórki miękiszowe dzielą się i tworzą włoski wnikające do tkanki bakteroidalnej. Symbioza ta jest obligatoryjna - bez bakterii rośliny rozwijają się do fazy ok. 2-4 liści, następnie degradacja stożków wzrostu, zamieranie rośliny.

8. Wymień w punktach i krótko scharakteryzuj mechanizmy działania PGPR.

PGPR- bakterie promujące wzrost roślin poprzez wspomaganie pobierania soli mineralnych z podłoża, modyfikację wydzielanych przez roślinę hormonów roślinnych, zapobieganie infekcjom patogenicznym), aktynoryza- symbioza wolnorosnącego, nitkowatego promieniowca Frankia z roślinami, polegająca na wytwarzaniu przez gospodarza tzw. aktynoryzowych brodawek korzeniowych, w których mikrosymbiont ma wytworzone warunki do wiązania azotu cząsteczkowego., brodawki korzeniowe Fabaceae, mikoryza), pasożytnictwo.

PGPR = Plant Growth Promoting Rhizobacteria - termin wprowadzony przez Kloeppera i wsp. (1970) dla określenia bakterii glebowych stymulujących wzrost roślinnego gospodarza. Występują w ryzosferze lub jako endofity kolonizują apoplast - przestrzenie międzykomórkowe, w naczyniach ksylemu.

Mechanizmy działania PGPR:

1. Mechanizmy bezpośrednie

• wiązanie azotu atmosferycznego

• wzrost dostępności dla roślin związków mineralnych w ryzosferze np. fosforu i żelaza.

FOSFOR: PGPR mogą uwalniać fosfor z kompleksów organicznych poprzez niespecyficzne fosfatazy (Burkholderia, Sinorhizobium), kwaśne fosfatazy (Bacillus). PGPR wytwarzają kwasy organiczne i przekształcają nierozpuszczalne formy fosforu w rozpuszczalne dostępne dla roślin (H2PO4-, HPO4 2-).

ŻELAZO: Bakterie produkują siderofory. Siderofory są to związki organiczne (500-1500 Da). Wydzielane są do środowiska w warunkach niedoboru Fe. Tworzą z Fe(III) rozpuszczalne w wodzie kompleksy o wysokich wartościach stałych trwałości. Prowadzi to do zwiększenia stężenia form przyswajalnych Fe i umożliwia pobieranie tego pierwiastka przez rośliny.

• PGPR stymuluje wzrost roślin poprzez wytwarzanie hormonów roślinnych.

IAA- Aeromonas veronii - Oryza sativa itd.

cytokininy - Pseudomonas fluorescens

GA3 - Bacillus sp. - Alnus

2. Mechanizmy pośrednie

• stymulacja symbiozy rhizobia - motylkowate poprzez rozrost systemu korzeniowego, co prowadzi do zwiększenia liczby i masy brodawek. U grochu i fasoli PGPR stymulują wytwarzanie flawonoidów (element wymiany sygnałów rhizobia - motylkowate)

• stymulacja mikoryzy

Mechanizmy stymulacji mikoryzy:

- bakterie pierwsze kolonizują ryzosferę i zwiększają receptywność korzenia (zmiana struktury ściany komórkowej i ułatwiają penetrację strzępek)

- bakterie wykorzystując wspólne z grzybami sygnały molekularne, włączają się w mechanizm rozpoznania roślina - grzyb mikoryzowy

- bakterie wspomagają rozwój saprofitycznych grzybów jeszcze przed kolonizacją korzeni

- bakterie sprzyjają przetrwaniu i kiełkowaniu spor, sklerocjów i innych form przetrwalnych grzybów

• zapobieganie infekcji przez organizmy patogeniczne

-wydzielanie substancji ograniczających rozwój patogenów -> działanie antybakteryjne i antygrzybowe

- współzawodnictwo z patogenami o Fe poprzez produkcję sideroforów

- indukcja mechanizmów obronnych rośliny ISR = Induced Systemic Resistance (zwiększenie wydzielania kwasu jasmonowego i etylenu, wzmocnienie sciany komórkowej kalozą, wzrost aktywności enzymów takich jak chitynazy, peroksydazy)

- inaktywacja czynników patogennych (toksyny)

9. Symbioza - definicja wg Zooka i ogólny zakres zjawiska.

Współczesna definicja: symbioza to ścisły i długotrwały związek pomiędzy dwoma organizmami (lub większą ich liczbą) należącymi do różnych gatunków, który może trwać całe życie jednego partnera lub wszystkich partnerów

Douglas Zook, International Symbiosis Society

• Wszystkie główne symbiozy - na przykład korale/Dinoflagellatae, ryzobia-Fabaceae, mszyce/bakterie, bakterie bioluminescencyjne/ryby i ośmiornice, termity/mikroorganizmy ich jelita, porosty, przeżuwacze, Foraminifera/glony, mykoryzy/rośliny, Azolla-Anabaena itp. - posiadają trzy ważne wspólne cechy: 

1. W wyniku symbiozy powstaje unikalna/nowa cecha metaboliczna lub struktura.

2. Zależność z pokolenia na pokolenie pozostaje tak ścisła, że rozpoznanie partnerów symbiozy, proces infekcji i system regulacji symbiozy muszą być efektem selektywnej koewolucji, uwzględniającej niekiedy wymianę informacji genetycznej pomiędzy partnerami

3. Występuje (historyczne lub powtarzające się co pokolenie) pozyskiwanie partnera, tzn. jeden organizm pobiera inny/e odmienny/e organizm/y, co daje korzyść wystarczającą, aby symbioza utrzymywała się w toku doboru naturalnego 

Na podstawie powyższych spostrzeżeń definicja:

Symbioza jest to pozyskiwanie i utrzymywanie jednego lub więcej organizmów przez inny organizm, którego efektem jest pojawienie się nowych cech struktury i metabolizmu.

• Symbiotyczne zależności są mniej lub bardziej ścisłe - mogą być wewnątrzkomórkowe, zewnątrzkomórkowe lub występować pomiędzy „oddzielonymi” partnerami; mogą być fakultatywne lub obligatoryjne, a cecha ta może podlegać zmianom w trakcie cyklu życiowego gospodarza

• W odróżnieniu od adaptacji do środowiska nieożywionego, w toku ewolucyjnej adaptacji do innego organizmu żywego może wystąpić wzajemna odpowiedź ewolucyjna, która albo odrzuca, albo wzmacnia tę adaptację. Dlatego w toku ewolucji symbiotyczne interakcje „przemieszczają się” wzdłuż continuum w kierunku do lub od mutualizmu

• Określenie miejsca konkretnej symbiozy w continuum może podlegać zmianie w miarę przyrostu wiedzy

• Jednoznaczne określenie tego miejsca jest często niemożliwe. Mutualizmy, na przykład, mogą nie być egalitarne - typowa jest raczej zmienna asymetria w dostarczaniu korzyści partnerowi.

10. Scharakteryzuj krótko ryzosferę jako środowisko symbioz z mikroorganizmami. Wskaż symbiozy charakterystyczne dla tego środowiska, podaj definicje tych symbioz i wskaż, które związane są z diazotrofią.

Ryzosfera - cienka warstwa gleby modyfikowana przez metabolizm korzenia (rhizoplane) - w warunkach doświadczalnych wpływ zauważalny do 20 mm od powierzchni ryzodermy

wydzieliny korzeniowe mogą stanowić nawet 5-10% masy korzenia, do 12% produkcji fotosyntetycznej

korzenie wydzielają H+, HCO3- (zmiany pH do 2 mm od powierzchni), kwasy organiczne, cukry, aminokwasy, kwasy nukleinowe, regulatory wzrostu, metabolity wtórne. Do ryzosfery „zrzucane” są martwe i żywe komórki (border cells) i tkanki roślinne; wydzieliny korzeniowe różnie wpływają na mikroorganizmy ryzosferowe:- współzawodnictwo (np. o jony żelaza - fitosiderofory), mutualizmy (korzenie koralowcowate, PGPR, aktynoryza, brodawki korzeniowe Fabaceae, mikoryza), pasożytnictwo

11. Zdefinuj pojęcie aktynoryzy i scharakteryzuj mikrosymbionta z uwzględnieniem grup inokulacji gospodarzy.

Aktynoryza jest to symbioza wolnorosnącego, nitkowatego promieniowca Frankia z roślinami, polegająca na wytwarzaniu przez gospodarza tzw. aktynoryzowych brodawek korzeniowych, w których mikrosymbiont ma wytworzone warunki do wiązania azotu cząsteczkowego

• grzyb Frankia: Brunchorst (1886) na cześć A. B. Franka, mikrobiologa szwajcarskiego

• Becking (1970): korekta - prokariotyczne promieniowce, utworzył rodzinę Frankiaceae w rzędzie Actinomycetales, wyróżnił 10 gatunków zależnie od gospodarza

• glebowe, Gram+, wolnorosnące, trudne do hodowli, oporne na transformację, obligatoryjne tlenowce

• chemoorganotrofy, tworzą nitkowate, rozgałęzione „strzępki”, Sporangia - odcinanie septami końcowych lub interkalarnych części „strzępek”

• długi czas nie wyróżniano gatunków: początkowo 10 gatunków w zależności od gospodarza roślinnego, ale okazało się, że specyficzność w stosunku do gospodarza nie jest ścisła

• obecnie jeden gatunek Frankia alni i liczne szczepy

• gospodarz- do najważniejszych należą rodzaje Allocasuarina, olcha (Alnus), oliwnik (Elaeagnus), Ceanothus, woskownica (Myrica), Gymnostoma, kazuaryna (Casuarina) i Coriaria; pięć podklas dwuliściennych jest wolne od aktynoryzy, podobnie jak wszystkie podklasy jednoliściennych

• Szczepy Frankia mają różny zakres gospodarzy. W obrębie tego samego rodzaju rośliny gospodarza można znaleźć różne stopnie kompatybilności. Wyodrębniono trzy główne grupy szczepów Frankia w odniesieniu do infekowanych gospodarzy:

1. grupa 1 Frankia alni i pokrewne szczepy, brodawkują rośliny z "wyższych" Hamamelidae, w rzędzie Fagales, w tym Betulaceae, Myricaceae i Casuarinaceae;

2. Grupa 2 szczepów Frankia nie dających się izolować, infekujących tylko rośliny z Coriariaceae, Datiscaceae, Rosaceae i Ceanothus z Rhamnaceae;

3. Grupa 3 szczepów Frankia brodawkuje efektywnie rośliny z Myricaceae, Rhamnaceae, Elaeagnaceae i Gymnostoma z Casuarinaceae.

12. Omów etapy rozwoju aktynoryzy. Wskaż elementy mechanizmu zmniejszenia stężenia wolnego tlenu w otoczeniu nitrogenazy.

I) Infekcja włośnika korzeniowego i komórek kory: tworzenie aktynoryzy pierwotnej

olcha: włośnik korzeniowy miejscem wnikania mikrosymbionta

• Frankia indukuje deformacje włośników i wydzielanie do ryzosfery przez korzeń lub włośniki polisacharydów (tzw. otoczka zewnętrzna - na zewnątrz komórki włośnikowej)

1. Frankia pokonuje barierę ściany komórkowej zdeformowanego włośnika i wchodzi do wnętrza rośliny

2. tylko jedna na kilka tysięcy infekcji prowadzi do powstania brodawki

3. podczas penetracji włośnika i później strzępki promieniowca są otaczane przez kolejny polisacharydowy materiał (tzw. otoczka wewnętrzna)

4. strzępki i związany z nimi materiał otoczki są otoczone błoną pochodzącą z błony komórkowej gospodarza

5. w podstawie komórki włośnikowej strzępka przekracza ścianę komórkową ryzodermy i wrasta do przylegających komórek kory korzenia

6. strzępki, które w zainfekowanych komórkach znajdują się blisko ściany, różnicują się w pęcherzyki. Stadium to jest definiowane jako aktynoryza pierwotna, a morfologicznie przejawia się jako lokalne zgrubienie korzenia; (Elaeagnaceae: infekcja pierwotna następuje dzięki bezpośredniej penetracji ryzodermy przez strzępki i następującą później kolonizację przestrzeni międzykomórkowych korzenia)

II) Wtórna aktynoryza (tu mamy schemat podziału brodawki) -rozpoczyna się wraz z tworzeniem w perycyklu korzeni bocznych (prawdopodobnie indukowane przez mikrosymbionta); korzenie boczne rozwijają się w brodawki aktynoryzowe 2-3 tygodnie po infekcji aktynoryza wtórna jest widoczna nieuzbrojonym okiem - w tym stadium rozpoczyna się wiązanie N₂

III) zawiązywanie spor - obserwowane w brodawkach wielu roślin gospodarzy z rodzajów olcha, woskownica, Ceanothus, oliwnik, rokitnik, Casuarina i Purshia; Sporangia ze sporami są otoczone grubą otoczką pektynową, która - jak wszystkie stadia rozwojowe symbiozy - jest oddzielona błoną od cytoplazmy gospodarza, Spory przeżywają proces lizy strzępek i pęcherzyków

Główne mechanizmy, które wydajnie dostarczają tlen mikrosymbiontowi i gospodarzowi, a jednocześnie chronią nitrogenazę można podsumować następująco:

• bariera dyfuzyjna w ścianie komórkowej pęcherzyków (otoczone są warstwowaną otoczką hopanową- lipidową; liczba warstw jest skorelowana z pO₂ w otaczającym środowisku) lub dzięki odłożeniu suberyny w ścianie komórkowej gospodarza i obecność hemoglobiny;

• oddychanie mikrosymbionta i komórek brodawki gospodarza.

13. Omów poznane na wykładzie fizjologiczno-molekularne cechy aktynoryzy.

• Specyficzność gatunkowa

• Zmienność dobowa i roczna: w badaniach polowych maksymalne aktywności nitrogenazy stwierdzono w kwietniu i ponownie na przełomie października i listopada. Roczne minimum stwierdzono w czerwcu i lipcu. Fluktuacje są wykrywalne tylko in vivo. Aktywność w bezkomórkowych ekstraktach, pobieranych pomiędzy kwietniem a listopadem nie wykazywała różnic. Dlatego sądzi się, że poziom enzymu pozostaje stały, a rocznemu rytmowi podlega dostarczanie przez roślinę źródeł energii.

• Temperatura: optimum termiczne dla wiązania azotu w aktynoryzie z olchą i woskownicą wynosi 20-25oC. Powyżej 25oC aktywność gwałtownie spada, z wyjątkiem Casuarina, która znosi temperatury powyżej 30oC.

• Dostępność wody u roślin pochodzących z terenów suchych: łagodny stres wodny redukuje wiązanie azotu u olchy o połowę, a ostry stres (-1MPa) prawie do zera

• Dostępność tlenu w glebie (zwykle związane z zawartością wody w glebie): niedobór tlenu w glebie zmniejsza wiązanie N2 poprzez ograniczenie oddychania; Maksymalna aktywność nitrogenzay w aktynoryzie to 30-50% wartości osiąganej w dobrze funkcjonujących brodawkach rośliny motylkowatej. Wynika to m.in. z faktu, że w brodawkach aktynoryzowych strefa aktywnego wiązania jest wąska. Aktywność specyficzna mierzona w samej zainfekowanej strefie brodawki aktynoryzowej jest bardzo wysoka)

14. Wymień i krótko omów molekularne podobieństwa i różnice pomiędzy diazotroficznymi symbiozami korzeniowymi.

Fabaceae/ryzobia; aktynoryza ;Parasponia/Bradyrhizobium; cyjanobakterie/sagowce

Symbiozy odmienne filogenetycznie

Fabaceae, Parasponia i rośliny aktynoryzowe zlokalizowane razem w odgałęzieniu wiążącym azot, ale sagowce należą do nagonasiennych

ryzobia, Frankia i cyjanobakterie należą do eubakterii, ale filogenetycznie są daleko spokrewnione - ale wysoka homologia ich genów kodujących nitrogenazę Mo-Fe świadczy o lateralnym transferze genów

Symbiozy odmienne ekologicznie

Liczne regiony geograficzne i klimatyczne

Ale tendencja do występowania w siedliskach ubogich w azot

Wszystkie cztery symbiozy spełniają cztery podstawowe warunki:

• Mikrosymbiont jest zdolny do infekowania i kolonizacji organów gospodarza

1. W symbiozie Fabaceae/ryzobia ryzosferowe związki odżywcze (aminokwasy, kwasy organiczne, cukry), metabolity wtórne (betainy), toksyny (mimozyna) wpływają na namnożenie ryzobiów - czy w innych symbiozach???

2. Wymiana sygnałów inicjujących symbiozę - substancje typu flawonoidów występują u gospodarzy wszystkich czterech symbioz - dowody lub przypuszczenia na temat ich roli w symbiozie - ale aktynoryzowy ekwiwalent czynnika Nod jest niezidentyfikowany - bardzo mało informacji nt. tego etapu u sagowców i cyjanobakterii

3. Ryzobiowe czynniki Nod, polisacharydy zewnątrzkomórkowe (EPS, LPS, CycGl), auksyny, cytokininy, Nops (nodulation outer proteins) wpływają na symbiozę - czy u innych? (Frankia - cytokininy, Nostoc - auksyna)

4. Liczne podobieństwa w mikroskopowym obrazie wewnątrzkomórkowej/międzykomórkowej infekcji pomiędzy Fabaceae i roślinami aktynoryzowymi, ale odmienna natura „nici infekcyjnych”

5. Infekcja Parasponia unikalna poprzez zdegradowaną ścianę ryzodermy; dwa typy „nici symbiotycznych” - grubościenna międzykomórkowa nić infekcyjną i „fixation thread”, zbliżona do symbiosomu u Fabaceae

6. Infekcja korzeni koralowcowatych sagowców (brak włośników) podobna do „crack-entry” spotykanego u niektórych przedstawicieli pozostałych trzech symbioz; brak nici infekcyjnych; mikrosymbiont pozostaje zawsze zewnątrzkomórkowy

7. Podczas gdy organy symbiotyczne sagowców, roślin aktynoryzowych i Parasponia są zmodyfikowanymi korzeniami bocznymi, brodawki korzeniowe Fabaceae powstają z merystemów odmiennych od tych, które dają początek korzeniom bocznym

8. Noduliny w symbiozie Fabaceae/ryzobia - czy u innych? (aktynoryza: wzrost ekspresji genów, których produkty związane są z: metabolizmem brodawki, internalizacją mikrosymbionta, różnicowaniem komórek, korzenie koralowcowate - HIF/HRF hormogonia inducing/repressing factor; nadekspresja hetR - heterocyst regulatory gene)

• Gospodarz jest zdolny dostarczać mikrosymbiontowi energię i substancje odżywcze

1. Ryzobia i Frankia - heterotrofy w stanie wolnożyjącym, wszystkie trzy mikrosymbionty - heterotrofy w stanie symbiozy (cyjanobakterie funkcjonalnie niefotosyntetyzujące)

2. Syntaza sacharozy hydrolizuje sacharozę dostarczaną do brodawek ryzobiowych i aktynoryzowych (ale u Rosaceae dostarczany sorbitol), co dostarczane do korzeni koralowcowatych? rola i pochodzenie śluzu?

3. Kwasy organiczne (metabolity pośrednie cyklu Krebsa) są podstawowym źródłem węgla dla symbiosomów ryzobiowych, prawdopodobnie także dla Frankia. Cukry proste są prawdopodobnie podstawowym źródłem węgla dla Frankia w aktynoryzie i cyjanobakterii w korzeniach koralowcowatych.

4. U Fabaceae, większości roślin aktynoryzowych, sagowców i prawdopodobnie u Parasponia, gdy dostawy związków węgla przekraczają zapotrzebowanie populacji mikrosymbionta, powstaje skrobia jako związek zapasowy.

• Gospodarz i mikrosymbiont są zdolne regulować poziom wolnego tlenu

1. Ryzobia w obydwu symbiozach (Fabaceae i Parasponia) ściśle uzależnione od bariery dyfuzyjnej i leghemoglobiny wytwarzanych przez gospodarza, dostarczających O2 do oddychania bez inaktywacji MoFe nitrogenazy (ta forma wrażliwa na tlen).

2. Frankia i cyjanobakterie bardziej niezależne poprzez samodzielne pogrubianie swoich kompartymentów zawierających nitrogenazę (pęcherzyki, heterocysty), ale nadal gospodarz wpływa na poziom wolnego tlenu poprzez wytwarzanie hemoglobiny i/lub śluzu

• Mikrosymbiont jest zdolny eksportować związany azot do gospodarza,

• U Fabaceae, niektórych roślin aktynoryzowych i prawdopodobnie Parasponia:

1. NH4+ jest główną formą eksportową związanego azotu z komórek bakterii

2. Dalsza obróbka związanego azotu odbywa się w szlaku GS/GOGAT

3. Amidy są najczęstszą formą eksportu związanego azotu z brodawek

4. Niewiele wiadomo o transferze związanego azotu w korzeniach koralowcowatych, ale prawdopodobnie jest on odmienny od pozostałych trzech symbioz, a prawdopodobną główną formą eksportu związanego N z heterocyst jest aminokwas (glutamina i/lub cytrulina).

5. ale za pomocą odmiennych mechanizmów anatomicznych i fizjologicznych

15. Krótko omów molekularne podobieństwa i różnice pomiędzy symbiozą motylkowate/ryzobia i mikoryzą arbuskularną.

• Niski stopień specyficzności w stosunku do gospodarza w MA (mikoryza arbuskularna), w przeciwieństwie do SM/R.

• Indukcja - ale na niskim poziomie, nieskoordynowanej, lokalnej i przemijającej - odpowiedzi obronnej rośliny podczas tworzenia haustorium i arbuskul. Podobnie ryzobia unikają odpowiedzi obronnej rośliny.

• W kontakcie ze ścianą komórkową ryzodermy strzępka wytwarza apresorium. Apresoria nie tworzą się w kontakcie ze ścianą komórek kory pierwotnej lub komórek waskularnych korzenia - grzyb rozpoznaje epitopy specyficzne dla ściany ryzodermy.

• Wydzieliny korzeniowe (izo/flawonoidy, terpenoidy), choć nie są niezbędne dla mikoryzy, wpływają na kolonizację korzenia przez ryzobia oraz poprawiają kiełkowanie zarodników, wzrost i rozgałęzianie strzępek grzybów MA.

• W obu symbiozach następuje ekspresja niektórych genów: wczesnych nodulin (ENOD2, ENOD5, ENOD11, ENOD12 , ENOD40), genu leghemoglobiny (VFLb29) i kodującego akwaporynę genu NOD26.

• Indukcja ekspresji MtENOD11 pod wpływem czynnika Nod i niezidentyfikowanego, dyfuzyjnego czynnika Myc produkowanego przez grzyba MA

• Niektóre gliko-koniugaty (MAC204 206, 207, 236 i 268) występujące w matriks nici infekcyjnych i w przestrzeni peribakteroidalnej (np. glikoproteina podobna do lektyny u grochu) są roślinnym składnikiem matriks peryarbuskularnej.

• Duża liczba mutantów roślinnych, które utraciły zdolność brodawkowania (fenotyp Nod-) jest także całkowicie oporna na infekcję grzybami MA, przy niezmienionej interakcji z patogenami glebowymi.

• U Pisum sativum, Lotus japonicus, Melilotus albus i Medicago truncatula zidentyfikowane liczne geny sym ważne dla wczesnych etapów obu symbioz. Mutanty w genach sym o fenotypie Nod-/Myc-, są niezdolne do wytworzenia nici infekcyjnych, a w MA grzyb nie jest w stanie wytworzyć strzępek międzykomórkowych.

16. Rola apoplastu rośliny w oddziaływaniach symbiotycznych na przykładzie nici infekcyjnej i modelu jej wzrostu.

• Środowiskiem endosymbiontów jest apoplast rośliny - endosymbiont jest zawsze na zewnątrz błony komórkowej lub błony od niej pochodzącej

• Apoplast otaczający endofita jest zmodyfikowany, na przykład: śluz otaczający cyjanobakterie w liściach Azolla, gruczołach Gunnera, korzeniach Cycas, substancje przestrzeni peribakteroidalnej i matriks nici infekcyjnych, „interface” peryarbuskularna

• Modyfikacji dokonuje gospodarz i endofit

• W MA występuje precyzyjnie regulowana sekwencja zmian apoplastu ściennego gospodarza wokół apresorium, strzępek rosnących i penetrujących ściany komórkowe gospodarza, tworzących się, a następnie degenerujących arbuskul

• W EM następują zmiany w apoplaście ściennym kory korzenia w strefie sieci Hartiga, polegające na uelastycznieniu ścian w celu ułatwienia penetracji strzępek

Brodawki ryzobiowe

• kolonizacja korzenia gospodarza to w istocie proces reagowania powierzchniowych struktur mikrosymbionta (fimbrie?, EPSy, LPSy, CPSy, celuloza) ze związkami chemicznymi zewnętrznej ściany komórkowej ryzodermy (rola lektyn), a następnie lokalnej lizy tej ściany

• specyficzna strefa apoplastowa: nić infekcyjna: matriks nici (glikoproteiny roślinne, w tym ekstensyny + ryzobiowe polisacharydy) i ściana nici (celuloza, pektyny oraz brodawkowo-specyficzne ekstensyny bogate w hydroksyprolinę, białko ENOD5 bogate w prolinę, alaninę, glicynę i serynę)

• rozwój brodawki grochu związany ze zmianami białek apoplastowych, między innymi kwaśnych fosfataz (AP) i ekspansyn (Ex). Aktywność AP pojawia się w rozwoju nici infekcyjnych, najpierw stopniowo w bakteriach wewnątrzniciowych, następnie kolejno w ścianach nici, matriks nici. Ex akumuluje się w ścianach komórek merystemu brodawki i tkanki bakteroidalnej oraz w ścianach nici infekcyjnych

17. Scharakteryzuj krótko przykłady mutualistycznych mikrosymbiontów jako „keystone” species.

Są to gatunki o wpływie na swoje ekosystemy nieproporcjonalnie dużym w stosunku do swojej biomasy i częstości występowania (trawy w zbiorowiskach łąkowych nie są „keystone”). W krańcowych przypadkach ich usunięcie może doprowadzić do zagrożenia lub nawet wymarcia innych gatunków na danym terenie.

• flora jelitowa przeżuwaczy i termitów

• simbiodinium- dinofity/koralowce: efektem tej symbiozy jest rafa koralowa - olbrzymie i wciąż rosnące „podłoże” dla tysięcy gatunków ze wszystkich królestw świata ożywionego. Rafa i jej mieszkańcy wiążą 900 g C m-2 x rok-1. W stanie niesymbiotycznym koralowce wydzielają bardzo niewielkie ilości CaCO3

• grzyby mikoryzowe- sukcesja w rozwoju zbiorowiska i osobnika; przekazywanie substancji za pośrednictwem mikoryzy pomiędzy roślinami (różnych gatunków) w siedlisku a poza tym dominują w siedlisku gatunków drzew, krzewów lub traw

• cyjanobakterie i glony wchodzące w skład porostów- setki grzybów może występować w formie lichenizowanej a tylko nieliczne cyjanobakterie i glony (Trebouxia spp.) są fotobiontami porostów

• ryzobia i Frankia dla roślin motylkowych/drzew Alnus rosnących w tropikach i na pustyniach

18. Rola mutualizmów roślin i mikroorganizmów w inwazji gatunków obcych na przykładzie ektomikoryzy.

Brak symbiontów może być istotną barierą dla inwazji roślin ektomikoryzowych.

W Afryce Południowej nie ma znanych rodzimych gatunków EM, w Nowej Zelandii EM tworzą tylko Kunzea, Leptospermum (obie z Myrtaceae) i Nothofagus (Fagaceae). Gatunki ektomikoryzowe dokonały jednak inwazji pewnych siedlisk na półkuli południowej, które początkowo nie miały niezbędnych symbiontów grzybowych.

Introdukcja Pinus spp. była długi czas niemożliwa w wielu częściach półkuli południowej z powodu braku odpowiednich grzybów EM (w Nowej Zelandii żadne rodzime grzyby nie mikoryzowały sosny). Dlatego w RPA i w Nowej Zelandii introdukowane sosny dokonały inwazji wielu ekosystemów dopiero utworzywszy EM z introdukowanymi grzybami EM. W tych nowych środowiskach inicjalna kolonizacja korzeni inwazyjnej sosny musiała nastąpić via spory. Inokulum to dostarczyły sosny introdukowane w formie sadzonek razem z glebą. W większości przypadków, zanim nastąpiła inwazja sosny na danym terenie, przez wiele lat istniały tam jej uprawy. Zwłoka w inwazji spowodowana była koniecznością nagromadzenia się w glebach niesionych wiatrem zarodników jako kompatybilnego inokulum dla inwazji. Wytworzenie EM z zarodników jest początkowo powolne, ale gdy raz powstanie gęsta populacja EM drzew, kolejne siewki nabywają EM bardzo szybko z istniejącej w glebie grzybni. Obecnie stanowiska sosny na półkuli południowej są na tyle rozprzestrzenione, że brak inokulum już nie jest barierą dla inwazji. W przypadku sosny inwazja nastąpiła w wyniku introdukcji i stopniowego rozpowszechnienia koniecznego symbionta

19. Rola mutualizmów roślin i mikroorganizmów w inwazji gatunków obcych na przykładzie Centaurea maculosa.

Większość roślin mikoryzowych tworzy związki z grzybami MA, które z powodu swojej niskiej specyficzności nie wydają się pełnić znaczącej roli w umożliwianiu lub ograniczaniu inwazji roślin. Wyjątkiem są izolowane wyspy, jak Galapagos, gdzie grzybów MA jest mało. Koszt utrzymywania mikoryzy może być dla rośliny wysoki. Z tego powodu wśród pojawiających się gatunków obcych powinny dominować gatunki niemikoryzowe. Faktycznie, na liście 6 najlepszych roślin inwazyjnych w USA znajdują się rodziny Brassicaceae i Chenopodiaceae, obie niemikoryzowe. Jednak rośliny niemikoryzowe są inwazyjne głównie w siedliskach zaburzonych, w których niska ilość propagul mikoryzowych ogranicza gatunki mikoryzowe. Niemikoryzowe są szybko zastępowane w sukcesji przez rośliny zależne od mikoryz.

Kosmopolityczny zasięg większości grzybów MA i ich niska specyficzność oznacza, że większość roślin inwazyjnych może tworzyć mikoryzę w obcych siedliskach. Siłą rzeczy, większość roślin inwazyjnych będzie tworzyła MA, ale nie będzie im to dawało szczególnej przewagi w konkurencji z rodzimymi roślinami MA - chyba że gatunek inwazyjny „umie” wykorzystywać mikoryzę w niezwykły dla rodzimych sposób.

Przykład: Centaurea maculosa - roślina inwazyjna na preriach Ameryki Północnej - włącza się w mikoryzową sieć łączącą korzenie rodzimych roślin i wykorzystuje ją do własnej korzyści. Kiedy Festuca idahoensis rośnie obok mikoryzowego C. maculosa, jej wzrost jest zredukowany, a wzrost C. maculosa - podwyższony. Jednocześnie wzrost żadnego z tych gatunków nie jest uzależniony od mikoryzy pod nieobecność drugiego gatunku

20. Definicja koewolucji, typy oddziaływań w koewolucji i znaczenie koewolucji w symbiozach.

• Definicja: proces ewolucyjny, w trakcie którego co najmniej dwa organizmy nabywają specjalistyczne cechy we wzajemnej zależności od siebie (zmiana genetyczna jednego gatunku powoduje zmianę genetyczną u drugiego, pierwszy na nią reaguje kolejną zmianą, co pociąga zmianę u drugiego itd.).

• Przeżywalność gatunków, które koewoluowały zwykle jest wzajemnie uzależniona.

• Kratochwil i Schwabe:

• Koewolucja oznacza, że dwaj partnerzy lub systemy partnerskie (rośliny, zwierzęta, grzyby lub bakterie) są wzajemnie uzależnione w swojej ewolucji i że obydwaj uzyskują specyficzne adaptacje skutkiem wzajemnej presji selekcyjnej.

Układy, w których można spodziewać się koewolucji:

1. gospodarz-pasożyt (wyścig zbrojeń)

2. roślina-roślinożerca (owady) (wyścig zbrojeń)

3. drapieżnik-ofiara (wyścig zbrojeń)

4. mutualizmy

• Przykładem skrajnej koewolucji układu mutualistycznego jest endosymbiotyczne nabycie mitochondriów i plastydów.

• Formy interakcji koewolucyjnych (1):

• 1. pairwise coevolution (Janzen, 1980), w której w mniej lub bardziej ścisłym oddziaływaniu pomiędzy dwoma gatunkami partnerzy wywierają na siebie stałą presję selekcyjną (reciprocal coevolution)

• 2. diffuse (network) coevolution (Gilbert, 1975), w której kilka gatunków uczestniczy po obu stronach, np. roślina kwiatowa jest odwiedzana i zapylana przez owady kilku gatunków, skutkiem czego wytwarza w toku ewolucji adaptacje dopasowane do wszystkich tych zapylaczy.

• Stopień uzależnienia partnerów może się znacznie różnić. W przypadkach skrajnych sukces reprodukcyjny jednego gatunku jest całkowicie uzależniony od gatunku drugiego (np. figowiec i zapylające go symbiotyczne osy).

• Formy interakcji koewolucyjnych (2):

1. koewolucja typu „gen na gen”

2. koewolucja pomiędzy gatunkami

3. koewolucja pomiędzy grupami gatunków (diffuse coevolution)

4. Koewolucja typu „gen na gen”

5. Występuje jeśli określony gen pasożyta kodujący czynnik wirulencji jest komplementowany genem gospodarza, kodującym czynnik odporności na tego pasożyta. Ten rodzaj koewolucji charakterystyczny jest zwłaszcza dla roślin i ich pasożytniczych grzybów.

6. Przykład: w populacji Glycine canescens (Fabaceae) zidentyfikowano 11 różnych fenotypowo wzorów odporności opartych na co najmniej 12 genetycznych czynnikach odporności stanowiących odpowiedź na 9 genotypów rdzy Phakopsora pachyrhizi (Burden, 1987).

7. Koewolucja pomiędzy gatunkami

8. Dotyczy szczególnie systemów mutualistycznych i szerzej - symbiotycznych, np. pomiędzy rośliną kwiatową a jej wyspecjalizowanym zapylaczem lub gatunkiem rośliny i wyspecjalizowanym zwierzęcym „roznosicielem” nasion (owoców).

9. koewolucja pomiędzy grupami gatunków (diffuse coevolution)

10. Dotyczy szczególnie sytuacji gdy w strukturze ekologicznej występują określone gildie, definiowane jako grupy gatunków korzystających w podobny sposób z tej samej klasy zasobów środowiskowych — przykładami gildii są mszyce żywiące się sokiem floemowym, zapylacze i drapieżniki.

11. Ta forma koewolucji często występuje w mutualizmach roślin i mikroorganizmów.

Wyniki genetycznych analiz odporności roślin:

1. potwierdzają podstawowe założenie modeli ewolucji odporności - odporność jest kosztowna;

2. wskazują, że wyniki koewolucji patogenów i ich gospodarzy często są niewytłumaczalne w kategoriach oddziaływania parami pomiędzy konkretnym gospodarzem i konkretnym naturalnym wrogiem - koewolucja jest raczej „rozproszona” niż „w parach” (wiele gatunków owadów żeruje na jednym gatunku gospodarza). Te same przypuszczenia odnoszą się do mutualizmów.

3. Mikoryza arbuskularna i rośliny lądowe powstały ok. 400-500 mld lat temu. Pierwsze, podobne do mszaków rośliny lądowe we wczesnym Dewonie (400 mln lat temu) - zanim w wyniku ewolucji powstały korzenie - miały endofityczne asocjacje podobne do MA.

4. Hipoteza: kolonizacja lądów przez rośliny i grzyby odbywała się na dzięki koewolucji, która umożliwiła taką integrację z grzybami, że zaopatrywały one gospodarza w wodę i substancje odżywcze.

5. Symbioza z ryzobiami jest znacznie młodsza od MA.

6. Wykorzystując metody genetyczne i molekularne zidentyfikowano geny roślinne, wspólne dla MA i symbiozy z ryzobiami.

7. Hipoteza: przynajmniej część systemu genetycznego gospodarza kontrolująca brodawkowanie powstała w czasie koewolucji dawnych roślin z grzybami MA - albo też część „mikoryzowych” genów predestynowała rośliny do symbiozy z ryzobiami.

8. Możliwe, że „mikoryzowe” geny roślin odpowiadają za wyewoluowanie zdolności do symbiozy u ryzobiów. Na przykład u zarania koewolucji ryzobiów z roślinami, bakterie te mogły uzyskać zdolność syntezy cznników Nod (podobnych do produktów hydrolizy ściany komórkowej grzybów) w celu naśladowania symbiotycznych grzybów MA w unikaniu mechanizmów obronnych rośliny.

9. W tym kontekście bardzo ciekawe jest występowanie u grzybów MA symbiotycznych bakterii posiadających geny nif - być może współczesne ryzobia wyewoluowały z symbiotycznych bakterii przodków dzisiejszych grzybów MA.

Hipotetyczny przebieg ewolucji brodawkowania u Fabaceae:

• Podczas ewolucji Fabaceae, w późnej Kredzie, na terenie wilgotnych tropików nastąpiły dwa niezależne początki brodawkowania.

• Jeden z nich związany był z przodkiem dzisiejszego Rhizobium i infekcją korzenia. To oddziaływanie było początkowo typu pasożytniczego i nie dostarczało roślinie korzyści, dopóki bakterie nie zostały uwolnione z nici infekcyjnych, jak u współczesnych roślin uprawnych.

• Drugi związany był ze zdolnym do fotosyntezy przodkiem dzisiejszego Bradyrhizobium i infekcją ran pędów; w tej linii rozwojowej nigdy nie rozwinęły się nici infekcyjne.

• Kontynenty przemieszczały się, klimat przekształcał się w sezonowo zmienny, z ekstremami temperatury i/lub opadów, skutkiem tego symbiozy podlegały presji selekcyjnej.

• Na przykład, w rejonach arydowych presja selekcyjna na ryzobia doprowadziła do powstania form odpornych na stres (zasolenie, susza, wysokie temperatury), z których nie wszystkie były zdolne do symbiozy, związanej z wydatkiem energii na kosztowne geny symbiotyczne.

• W odpowiedzi na lokalne czynniki selekcyjne lateralny transfer genów zlokalizowanych na plazmidach doprowadził do powstania szerokiego spektrum form symbiotycznych i niesymbiotycznych.

• Po tym, jak ograniczenia środowiskowe oddziaływały na początkowe fazy ewolucji ryzobiów, wynikiem jest współcześnie obserwowana sytuacja chaosu bez żadnego widocznego ogólnego wzoru koewolucji pomiędzy gospodarzami i ryzobiami.

• Hipoteza: W tym chaosie mogą jednak być ukryte dowody takiej koewolucji i mogą zostać ujawnione metodami molekularnymi i bioinformatycznymi.

• W mutualizmach koewolucja może doprowadzić do stabilnego mozaikowego wzoru przestrzennego (geograficznego) zróżnicowania, w którym występują obszary zajmowane przez różne, wzajemnie dostosowane formy partnerów symbiozy, z których każdy jest odporny na inwazję partnerów o alternatywnych fenotypach.

• W symbiozie ryzobiów i Fabaceae rośliny są zazwyczaj polimorficzne w odniesieniu do genów związanych ze specyficznością symbiozy. Zwykle jedne allele determinują szerokie spektrum mikrosymbionta, inne ograniczają zestaw genotypów ryzobiowych akceptowanych przez gospodarza.

• W populacjach jednorocznej Amphicarpaea bracteata współistnieją linie zróżnicowanie genetycznie. Z jednego siedliska zdominowanego przez dwie z tych linii (biotyp "C" i "S") zebrano 51 izolatów Bradyrhizobium sp. z obydwu biotypów i poddano analizie elektroforezy enzymów.

U Phaseolus vulgaris występują trzy główne centra zróżnicowania genetycznego:

1. Meksyk + Ameryka Centralna + Kolumbia

2. Andy Południowe

3. Ekwador + północne Peru

• We wszystkich tych rejonach najważniejszym mikrosymbiontem jest Rhizobium etli

• Pośród szczepów Rh. etli z różnych rejonów stwierdzono polimorfizm genu nodC z trzema typami tego genu

• Różne allele nodC amerykańskich szczepów Rh. etli wykazują zróżnicowane rozpowszechnienie geograficzne, skorelowane z centrami genetycznego różnicowania fasoli.

• Inokulowano w różnych układach dzikie gatunki fasoli z trzech centrów glebami z różnych rejonów.

• Stwierdzono preferencyjne brodawkowanie fasoli przez geograficznie „spokrewnione” szczepy R. etli: szczepy izolowane z wytworzonych przez różnych gospodarzy brodawek były podobne do szczepów, jakie ci gospodarze „spotykają” we własnych rejonach - fasole „rozpoznawały” ryzobia pochodzące z tych samych centrów, co gospodarz.

• Znane są przykłady geograficznie skorelowanego występowania określonych genotypów Pisum sativum i specyficznych szczepów Rh. leguminosarum bv. viciae.

• W europejskich glebach szczepy Rh. leguminosarum specyficzne dla grochu uprawnego mają wąski zakres gospodarza i są szeroko rozpowszechnione. Prawdopodobnie wynika to z małej zmienności odmian grochu i ich szerokie rozpowszechnienie w Europie.

• Szczepy Rh. leguminosarum zdolne do brodawkowania prymitywnych odmian grochu z Afganistanu znaleziono tylko w glebach Środkowego Wschodu i Azji Centralnej.

• Dość ograniczony zasięg mają szczepy Rh. leguminosarum specyficzne dla grochu fulvum. Znaleziono je tylko w glebach na terenie Izraela.

• W południowej Turcji znaleziono linię grochu, efektywnie brodawkowaną tylko przez lokalne szczepy Rh. leguminosarum.

21. Omów jeden z przykładów (Amphicarpea, Phaseolus lub Pisum), świadczących o prawdopodobnej koewolucji ryzobiów i Fabaceae.

1)W populacjach jednorocznej Amphicarpaea bracteata współistnieją linie zróżnicowanie genetycznie- z jednego siedliska zdominowanego przez dwie z tych linii (biotyp "C" i "S") zebrano 51 izolatów Bradyrhizobium sp. z obydwu biotypów i poddano analizie elektroforezy enzymów. Populacje mikrosymbionta różniły się pomiędzy biotypami gospodarza. Wśród zebranych izolatów wykryto 15 genotypów i tylko jeden z nich występował u obu biotypów gospodarza. Genotyp oznaczony I występował wyłącznie u biotypu C i infekował tylko ten biotyp w testach laboratoryjnych zaś II i III były izolowane prawie wyłącznie z roślin biotypu S, ale w testach laboratoryjnych brodawkowały biotyp C, choć indukowały mniej brodawek niż na roślinach biotypu S.

2)U Phaseolus vulgaris występują trzy główne centra zróżnicowania genetycznego:

1.Meksyk + Ameryka Centralna + Kolumbia

2.Andy Południowe

3.Ekwador + północne Peru

We wszystkich tych rejonach najważniejszym mikrosymbiontem jest Rhizobium etli- spośród jego szczepów z różnych rejonów stwierdzono polimorfizm genu nodC z trzema typami tego genu a z kolei różne allele nodC amerykańskich szczepów Rh. etli wykazują zróżnicowane rozpowszechnienie geograficzne, skorelowane z centrami genetycznego różnicowania fasoli.

Inokulowano w różnych układach dzikie gatunki fasoli z trzech centrów glebami z różnych rejonów i stwierdzono preferencyjne brodawkowanie fasoli przez geograficznie „spokrewnione” szczepy R. etli a szczepy izolowane z wytworzonych przez różnych gospodarzy brodawek były podobne do szczepów, jakie ci gospodarze „spotykają” we własnych rejonach - fasole „rozpoznawały” ryzobia pochodzące z tych samych centrów, co gospodarz; takie preferencyjne brodawkowanie stwierdzono także po inokulacji mieszaniną szczepów pochodzących z różnych rejonów - fasole „wybierały” z mieszaniny szczepów szczepy najbliższe im geograficznie

3)geograficznie skorelowane występowanie określonych genotypów Pisum sativum i specyficznych szczepów Rh. leguminosarum bv. viciae- w europejskich glebach szczepy Rh. leguminosarum specyficzne dla grochu uprawnego mają wąski zakres gospodarza i są szeroko rozpowszechnione co wynika pewnie z małej zmienności odmian grochu i ich szerokie rozpowszechnienie w Europie. Szczepy Rh. leguminosarum zdolne do brodawkowania prymitywnych odmian grochu z Afganistanu znaleziono tylko w glebach Środkowego Wschodu i Azji Centralnej. Dość ograniczony zasięg mają szczepy Rh. leguminosarum specyficzne dla grochu fulvum. Znaleziono je tylko w glebach na terenie Izraela. W południowej Turcji znaleziono linię grochu, efektywnie brodawkowaną tylko przez lokalne szczepy Rh. leguminosarum.

22. Scharakteryzuj krótko fyllosferę jako środowisko symbioz z mikroorganizmami. Opisz przykład symbiozy występującej w tym środowisku.

Fyllosfera - nadziemna część roślin, a zwłaszcza powierzchnia liści - stanowi specyfi czne środowisko

bytowania drobnoustrojów zapewniające im właściwe warunki do wzrostu i rozwoju.

Fyllosfera jest zbiorem utworzonym przez części

nadziemne roślin, przez mikroflorę i mikrofaunę

obecna na powierzchni liści i łodyg.

23. Klasyfikacja porostów ze względu na rodzaj podłoża i warunki środowiska. Budowa morfologiczna i anatomiczna porostów.

Anatomia porostów: Porost są specyficzną grupą organizmów, które powstały na skutek trwałej symbiozy między cudzożywnym mykobiontem, a samożywnym glonem - fotobiontem.

Idealna symbioza - świadczą sobie wzajemnie usługi.Większość porostów posiada plechy z wyraźnymi warstwami: korą, tzw. warstwą gonidialną zawierającą komórki fotobionta oraz miąższem (Ryc. 5). Są jednak porosty, które mają plechy niewarstwowane, w których komórki glonu są prawie równomiernie rozproszone w całej objętości plechy. Natomiast do wyjątków należą porosty, w których nici glonów są oplecione strzępkami grzyba - to jedyny przypadek, gdzie właśnie glon decyduje o kształcie plechy ; ma to miejsce np. u rodzaju pakłaczek Racodium.


Ryc. 5. Przekrój przez plechę warstwowaną.

Na podstawie wzajemnego układu komórek glonów i grzybów wyróżniono dwa rodzaje plech:

1. homeomeryczną (niewarstwowaną): komórki obu komponentów rozmieszczone są prawie równomiernie

2. heteromeryczną (warstwowaną): wyraźnie zaznaczają się warstwy:
   - korowa, w skład której wchodzą splecione strzępki grzyba, znajdująca się na górnej stronie plechy a u niektórych porostów również na dolnej
   - glonowa (gonidialna), złożona ze strzępek grzyba i komórek glonów
   - miąższowa (rdzeniowa), utworzona z samych tylko, luźno splecionych ze sobą strzępek grzyba.

MORFOLOGIA

Podstawowe formy morfologiczne plech porostów to: skorupiasta, plakodiowa, łuseczkowata listkowata, krzaczkowata i nitkowata. Są też porosty o plechach wielopostaciowych.


Skorupiasta - ściśle przyrasta do podłoża lub wrasta w nie. Plechy mają różną grubość; różna także może być struktura ich powierzchni: proszkowata, ziarenkowata, brodawkowata, gładka lub spękana np: Misecznica kasztanowata Lecanora argentata, Dzbanusznik wapieniowy Aspicilia calcarea

Łuseczkowata - z reguły nieco odstaje od podłoża. Łuski mają zwykle do kilku milimetrów średnicy. U niektórych gatunków łuski są pojedyncze i rozproszone, a u innych - skupione lub dachówkowato na siebie zachodzące np: Paznokietnik ostrygowy Hypocenomyce scalaris, Skórnica wodna Dermatocarpon luridum

Listkowata - plechy spłaszczone na kształt listków, często podzielone na odcinki, rozetkowate albo rosnące nieregularnie, o dolnej stronie mniej lub bardziej przylegającej do podłoża, do którego przyczepione są chwytnikami, uczepem lub zmarszczkami dolnej kory np: Pustułka pęcherzykowata Hypogymnia physodes Pawężnica łuseczkowata Peltigera praetextata

Krzaczkowata - złożona jest z gałązek o różnym kształcie, od obłych po taśmowate, przyczepionych zwykle do podłoża tylko w jednym miejscu. Gałązki wznoszą się do góry (np. szydlina Thamnolia) lub zwisają (np. odnożyce Ramalina, brodaczki Usnea i włostki Bryoria)

Nitkowata - jest to właściwie odmiana plechy krzaczkowatej, o odcinkach obłych, na przekroju zbudowanych koncentrycznie np: Brodaczka zwyczajna Usnea filipendula

Wielopostaciowa - w trakcie rozwoju osobnika wykształcają się 2-3 rodzaje plech, np. u większości chrobotków Cladonia początkowo wytwarzana jest plecha skorupiasta, z której wyrastają łuski plechy pierwotnej, a z nich z kolei - tzw. podecja, które są krzaczkowate . Plecha skorupiasta najczęściej dość szybko zanika, łuseczkowata zwykle utrzymuje się, a czasem nawet stanowi główną postać (np. u chrobotka rosochatego)np: Chrobotek palczasty Cladonia digitata

Klasyfikacja ze względu na rodzaj podłoża:

epifityczne - nadrzewne

epigeiczne - naziemne

epilityczne - naskalne

Mogą wrastać w zewnętrzne warstwy podłoża, a na powierzchni tylko owocniki.

epifiliczne - na żywych liściach

epibryofityczne - na martwych mchach

epilichenofityczne - na innych porostach

Porosty kalcyfile i acydofilne - na skałach wapiennych i granitowych

Porosty ubikwistyczne - na różnych podłożach

Porosty są powszechnie znane i wykorzystywane jako biowskaźniki (bioindykatory) stanu czystości powietrza. Mniej znany jest fakt, że reagują one na wiele innych zaburzeń w środowisku i mogą być wskaźnikami np. zmian warunków ekologicznych w lasach, stopnia degradacji zbiorowisk wysokotorfowiskowych, czystości wody, tempa cofania się lodowców, stanu zdrowia ludzi na określonym terenie, zanieczyszczenia radioaktywnego, a nawet zmian klimatycznych w przeszłości.

Stopień wrażliwości form morfologicznych przedstawia się, w uproszczeniu, następująco:

bardzo wrażliwe >>> mało wrażliwe

krzaczkowate >listkowate>łuseczkowate>skorupiaste

Porosty wykazują duże zdolności przystosowawcze do ekstremalnych warunków środowiska. Najobficiej występują w klimacie chłodnym, obficie w klimacie umiarkowanym, a najmniej jest ich w klimacie gorącym.

24. Rozmnażanie wegetatywne porostów. Rozwój plech u Xanthoria parietina i Endocarpon pusillum.

Rozmnażanie wegetatywne przez:

• Fragmentację plechy - (na terenach półpustynnych i pustynnych całe plechy pędzone są przez wiatr).

• Wyrostki (izydia) - maja postać brodaweczek o różnych kształtach (łuseczkowate, łopatkowate, igiełkowate, nitkowate). Zwykle są zwężone u nasady. Mogą być pojedyncze lub rozgałęzione. Tworzą się na powierzchni plechy. Otoczone są warstwą korową, wewnątrz znajdują się komórki glonu i strzępki grzyba.

• Urwistki (soredia) - wyglądają jak proszek jaśniejszy od powierzchni. Zbudowane są z kilku komórek glonu oplecionych strzępkami grzyba. Tworzą się wewnątrz plechy. Na zewnątrz wydostają się w miejscach zwanych sorediami. Kształt, rozmieszczenie i barwa sorediów są ważną cechą diagnostyczną. Wyróżniamy soredia wargowe (odwinięte), główkowate, brzeżne, brodawkowate i in.

25. Zależność między tempem wzrostu porostów, ich wielkością a wrażliwością na zanieczyszczenie środowiska.

Porosty występują na całej kuli ziemskiej i zasiedlają różne środowiska. Są odporne na skrajne temperatury i wilgotność. Poszczególne gatunki porostów mają różne wymagania siedliskowe i klimatyczne. Porosty są powszechnie znane i wykorzystywane jako biowskaźniki (bioindykatory) stanu czystości środowiska. Największym zagrożeniem są zanieczyszczenia powietrza, głównie SO2 i NOx, fluorki, chlorki, ozon, WWA i metale ciężkie. Wrażliwość porostów na zanieczyszczenia zależy od wielu czynników, a w dużej mierze od ich formy morfologicznej. Stopień wrażliwości form morfologicznych przedstawia się, w uproszczeniu, następująco:

bardzo wrażliwe >>> mało wrażliwe

krzaczkowate > listkowate > łuseczkowate > skorupiaste

Porosty są najczulszymi biowskaźnikami zanieczyszczenia atmosfery. W badaniach lichenoindykacyjnych (metoda oparta na znajomości tempa przyrostu plech) wykorzystuje się znajomość gatunków porostów do oceny stanu sanitarnego powietrza, czyli określania stopnia zanieczyszczenia powietrza. Porosty są organizmami kumulującymi metale ciężkie i pierwiastki radioaktywne (radionuklidy). Substancje toksyczne wpływają na porosty bezpośrednio lub pośrednio. Przy oddziaływaniu bezpośrednim najsłabszym punktem jest aparat fotosyntetyczny glonów porostowych, w którym chlorofil ulega degradacji i zostaje unieczynniony (zamienia się w nieaktywny fotosyntetycznie związek zwany feofityną). Dzieje się to w silnie zakwaszonym środowisku wewnątrz komórkowym. Duże stężenie SO2 sprzyja temu, co w krótkim czasie powoduje obumarcie wszystkich glonów w plesze i śmierć porostu. Przy mniejszych stężeniach następują zmiany w budowie wewnętrznej komórek i w przepuszczalności błon plazmatycznych, co ułatwia wnikanie toksyn do wnętrza. Pyły, jeżeli są emitowane w dużych ilościach, niszczą plechy w sposób mechaniczny, okrywając je grubą warstwą uniemożliwiają wymianę gazową i ograniczają dostęp światła do komórek glonów. Ponadto toksyny zawarte w pyłach rozpuszczają się w wodzie i w roztworach przenikają do wnętrza plech porostów. Pośrednie działanie szkodliwych związków to zmiana warunków siedliskowych, np. zakwaszenie podłoża, na którym rosną porosty. Istnieje wyraźna korelacja między stężeniem SO2 w powietrzu a odczynem kory drzew. W warunkach miejskich odczyn kory często obniża się o 2-3 jednostki, co eliminuje wszystkie lub większość porostów. Stwierdzenie takiego faktu podczas monitoringu jest dowodem nie najlepszej sytuacji aerosanitarnej.

Używając porostów jako bioindykatorów, wyróżniamy następujące strefy:

I - bezwzględna pustynia porostowa, strefa o szczególnie silnie zanieczyszczonym powietrzu, całkowity brak porostów nadrzewnych lub występowanie jednokomórkowych zielenic, które nadają pniom zieloną barwę,

II - względna pustynia porostowa, o bardzo silnie zanieczyszczonym powietrzu, w której występują tylko najbardziej odporne na zanieczyszczenia porosty o plechach skorupiastych,

III - wewnętrzna strefa osłabionej wegetacji - o silnie zanieczyszczonym powietrzu, w której rosną gatunki skorupiaste oraz o plechach łuseczkowatych,

IV - środkowa strefa osłabionej wegetacji, o średnio zanieczyszczonym powietrzu, występują już porosty o plechach listkowatych, strefę tę wyróżniają: pustułka pęcherzykowata i tarczownica bruzdkowana,

V - zewnętrzna strefa osłabionej wegetacji, o względnie mało zanieczyszczonym powietrzu, w której obecne są mniej wrażliwe na zanieczyszczenia porosty krzaczkowate,plechy są zwykle małe i zdeformowane.

VI - wewnętrzna strefa normalnej wegetacji, o nieznacznie zanieczyszczonym powietrzu, na obszarze tym gatunki wyróżniające strefę V są normalnie wykształcone, a ponadto rosną tu porosty listkowate i krzaczkowate wrażliwe na zanieczyszczenia,

VII - typowa strefa normalnej wegetacji, o powietrzu czystym lub ze znikomą zawartością zanieczyszczeń, w której jedynym czynnikiem ograniczającym są naturalne warunki siedliskowe, występują tu bardzo wrażliwe na zanieczyszczenia gatunki porostów.

Stosowanie porostów jako bioindykatorów emisji ma w porównaniu z roślinami szereg zalet: porosty nie posiadają szparek ani kutikuli, tym samym nie mogą regulować wymiany gazowej. Ponieważ nie posiadają one systemu wydalania, nie mogą usuwać pobranych, głównie w postaci roztworów, substancji szkodliwych, co powoduje kumulację i wzrost stężeń substancji szkodliwych w ich plechach. Ponadto porosty umożliwiają ocenę wpływu emisji przemysłowych również w okresie zimowym, czego nie zabezpieczają inne rośliny poza drzewami iglastymi(za wyjątkiem modrzewia), w związku z czym nadają się one szczególnie do oceny długookresowego oddziaływania zanieczyszczeń.

26. Lichenoindykacja. Strefy wegetacji porostów. Znaczenie porostów.

Lichenoindykacja. Strefy wegetacji porostów. Znaczenie porostów.

Lichenoindykacja ustala stopień stopień skażenia środowiska na podstawie obecności określonych porostów ich liczebności, wyglądu.

Porosty to organizmy bardzo wytrzymałe ( org pionierskie) ale są bardzo wrażliwe na zanieczyszczenie środowiska. Wynika to z braku tkanek okrywających, niskiej tolerancji na zanieczyszczenia, małej zawartości chlorofilu, woda pobierana jest z opadów bez zanieczyszczenia. Porosty najbardziej wrażliwe są na zanieczyszczenia powietrza-tlenki siarki i azotu ale też na metale ciężkie ( cynk, kadm, ołów). Tlenki siarki i azotu ( kwaśne deszcze) zakwaszają plechę, a metale ciężkie wchodzą w kompleksy z lipidami i węglowodanami. Prowadzi to do spadku fotosyntezy, aktywności metabolicznej, destrukcji błon plazmatycznych, destrukcji jądra, rozpadu chromatoforów. Co prowadzi do rozpadu plech i ich zamierania. Ta wrażliwość wykorzystywana jest w bioindykacji.

Stefy wegetacji porostów:

• Strefa normalna- czysta, są tam wszystkie porosty: krzaczkowate, listkowate i skorupiaste. Plechy normalne;

• Strefa walki- brak krzaczkowatych, a listkowate i skorupiaste mają normalne plechy;

• Strefa bezporostowa- pustynia, brak krzaczkowatych i listkowatych są nieliczne skorupiaste (najbardziej odporne na zanieczyszczenie.)

Znaczenie:

• Zawierają liczne związki chemiczne wykorzystywane w perfumerii (związki zapachowe) oraz inne barwniki stosowane (przynajmniej dawniej) w farbiarstwie.

• Porosty są bardzo czułym biowskaźnikiem (bioindykatorem) czystości atmosfery. Specjalna skala porostowa pozwala na podstawie składu gatunkowego porostów określić stopień zanieczyszczenia atmosfery.

• Porosty jako organizmy pionierskie mają pewną funkcję glebotwórczą; rola ta jest jednak przeceniana, w wielu miejscach występowania porostów nie powstanie nigdy gleba ze względu na ostry klimat, warunki atmosferyczne, nachylenie terenu (stoki skalne). Szczątki porostów przyczyniają się do powstawania próchnicy, która z rozdrobnionym materiałem skalnym tworzy glebę.

• Są ważnym składnikiem pokarmowym (dla reniferów i piżmowołów) oraz schronieniem bezkręgowców. Niektóre ptaki wykorzystują porosty do budowy gniazd.

• Są cenione w kuchni (krusznica jadalna - "manna z nieba").

• Kształtują mikroklimat.

• Mają właściwości lecznicze, nalewki, wywary ( na żółtaczkę, porost włosów, kaszel). Pobudzają wydzielanie soków trawiennych, natomiast kwas usininowy stosowany jest w leczeniu przeciw rakowi i HIV.

27. Kompleks haustorialny i wymiana metabolitów między partnerami symbiozy porostowej.

28. \Właściwości i znaczenie kwasów porostowych.

Porosty zdolne są do produkcji tzw "kwasów porostowych" będących pochodnymi fenoli i kwasów tłuszczowych- związków o skomplikowanej budowie cząsteczkowej.

Właściwości:

- większość bezbarwne ( żółty to np. kw. usninowy)

- nierozpuszczalne w wodzie

- rozpuszczalne w benzynie i acetonie

- bez smaku i zapachu

- sporadycznie trujące np. kw. wulpinowy

- nieliczne gorzkie i piekące

Znaczenie:

- obecność kwasów porostowych jest wykorzystywana do celów diagnostycznych- stosując odpowiednie odczynniki można uzyskać charakterystyczne reakcje barwne plechy, miąższu, owocnika i na tej podstawie oznaczyć gatunek

- kwasy porostowe są bakteriostatyczne i antybiotyczne (chronią pluchę przed patogenami), chronią przed UV,

- mają właściwości chelatujące - łączą się wielokrotnie z magnezem i wapniem (wyłapując je) i prowadzą do rozkruszenia podłoża

- uczestniczą w nukleacji czyli tworzeniu zewnątrzkomórkowych kryształków lodu - ważne przy przeżyciu w niskich temperaturach

Do najczęściej spotykanych kwasów porostowych należą:

• kwas usninowy- występuje w plechach brodaczek (Usnea), odnożyc (Ramalina), mąkli (Evernia) i innych przedstawicieli Usneaceae

• kwas rodokladoniowy- spotykany w chrobotkach o czerwonych owocnikach z sekcji Cocciferae

• atranoryna- obecna w chrobotku reniferowym (Cladonia rangiferina), mąkli tarniowej (Evernia prunastri), obrostach (Physcia sp.).

29. Symbioza u Geosiphon pyriforme.

Grzyb Geosiphon pyriforme tworzy nitkowatą grzybnię z licznymi pęcherzykami zawierającymi nici trzęsidła (Nostoc). Obaj partnerzy żyją w górnej warstwie lub na powierzchni wilgotnej gleby, gdzie mogą uzyskać ze sobą kontakt.

Interakcji między partnerami jest szczególna z dwóch powodów:

1. tylko niektóre szczepy Nostoc punctiforme są w stanie stworzyć tę symbiozę

2. aby interakcja między grzybem zaszła, Nostoc musi być zróżnicowany na odpowiednim etapie. Dzieje się to we wczesnym etapie cyklu rozwojowego sinicy zwanym primodium. W późniejszym etapie, kiedy włókna Trzęsidła są ruchome nie są rozpoznawane przez grzyby.

Pozyskiwanie sinicy zachodzi w sposób następujący: w miejscu, gdzie strzępka styka się z napotkanym trzęsidlem, ściana jej pęcznieje. Powstaje w niej otwór, przez który wypływa plazma i oblewa sinicę, po czym tak zespolone organizmy otaczają się ścianą komórkową. W ten sposób tworzy się pęcherzyk, który rozrasta się do pokaźnych rozmiarów (300x700um). Nowo powstały złożony organizm jest samowystarczalny pod względem troficznym. Nostoc stanowi dla grzyba niezbędne źródło związków organicznych. Nostoc również korzysta z współpracy z gospodarzem, który prawdopodobnie odpowiada za większą dostępność wody, fosforanów i CO2 dla endosymbionta. Co charakterystyczne, wszystkie nieorganiczne substancje odżywcze, z wyjątkiem N, muszą być dostarczone przez Geosiphon pyriforme, od momentu kiedy Nostoc znajduje się wewnątrz gospodarza.

30. Struktura i rozwój mikoryzy ektotroficznej.

Ektomikoryza - to symbioza grzyba z korzeniem polegająca na wnikaniu strzępek grzybni na poziomie tylko kory bez wrastania do komórek, lecz oplatając je i tworząc tzw. sieć Hartiga. Korzenie grubieją przez otoczenie ich grzybnią i wytworzenie tzw. mufki (forma najczęstsza u iglastych). Włośniki zanikają, a ich funkcję przejmuje mikoryza. Dookoła korzenia tworzy się tzw. opilśń (mufka grzybowa). Strzępki grzyba wyrastające z powierzchni mikoryzy mają stały kontakt ze środowiskiem glebowym. Za pomocą dobrze rozbudowanej sieci strzępek grzyb dostarcza roślinie wodę i substancje pokarmowe (sole mineralne i niektóre substancje organiczne) z odległości dużo większej w porównaniu do korzenia bez mikoryzy. Korzyścią dla grzyba jest dostarczenie mu przez roślinę -cukrów, których on sam nie potrafi wytworzyć.

Ektomikoryza występuje u grzybów, takich jak:

• Ascomycetes

• Zygomycetes

• Basidomycetes

Ektomikoryza występuje u 3-5% roślin nasiennych( 140 rodzajów). Dominuje u drzew z rodziny sosnowatych, bukowatych, wierzbowatych, brzozowatych. Nie występuje u jednoliściennych. U sosny charakterystyczne jest rozgałęzienie dichotomiczne.

Ektomikoryza najczęściej atakuje korzenie I lub II rzędu. W wyniku symbiozy korzenie pozostają pojedyncze bądź rozgałęziają się dichotomicznie, są krótsze i grubsze. Merystem wierzchołkowy i czapeczka pozostają niezainfekowane. Ektomikoryza występuję aż do strefy degenerującej kory pierwotnej.

Wymagania glebowe: nie mniej niż 8% tlenu, niewielka wilgotność, temperatura ok. 20 C, pH od 2 do 7.

Zahamowanie rozwoju mikoryzy powodują: wysokie stężenia nawozów i zbyt duża wilgotność.

Na rozwój Ektomikoryza mają również wpływ auksyny i gibereliny, które powodują zahamowanie tworzenie włośników i rozgałęzień, oraz stymulują rozwój mufki i sieci Hartiga.

31. Opisz struktury charakterystyczne dla endomikoryzy

• Kłębki (zwoje)

• Arbuskule (drzewka)

• Wehikule (pęcherzyki)

Strzępki penetrują korę pierwotną, przerastają przez ścianę komórkową, wewnątrz tworzą kłębki

Arbuskula

• powstaje w wyniku wielokrotnego dychotomicznego rozgałęzienia się strzępków grzybni

• ma cienka ścianę komórkowa

• jest wielojądrowa

• otoczona jest przestrzenią periarbuskularną

• błona periarbuskularna, matriks, ściana i błona grzyba tworzą tzw. interfejs z kierunkową wymianą substancji między gospodarzem, a grzybem

Wezikule

• powstają głównie w korze zewnętrznej i środkowej

• mogą być wewnątrz lub zewnątrzkomórkowe

• są to rozdęcia na zakończeniach strzępek o grubszej ścianie komórkowej, mogą być wielojądrowe

• gromadzą materiały zapasowe - lipidy, glikogen, K, Ca, Mg

32. Scharakteryzuj mikoryzę orchidalną.

Mikoryza orchidalna zaliczana jest do endomikoryz - strzępki grzyba wnikają do wnętrza żywych komórek lub kory pierwotnej korzenia

Gospodarz - niedojrzały zarodek storczyka - protokorm, który nie posiada tkanki spichrzowej

Grzyb - podstawczak

Infekcja w okolicy wieszadełka i przerost strzępek do komórek zarodka powoduje wzrost i rozwój zarodka (wzrost syntezy i aktywności DNA, oksydazy polifenolowej, oksydazy kwasu askorbinowego, katalazy, oddychania, hydrolizy skrobi, IAA, cytokin, steroli)

Grzyb transportuje do zarodka cukry pozyskane z rozkładu martwej materii organicznej gdzie są przekształcane do sacharozy. Strawione strzępki są dodatkowym źródłem N, P i innych pierwiastków.

Tylopofagia - strefa komórek obejmująca komórki z aktywną symbiozą i z komórkami trawiącymi strzępki.

Ptyofagia - pojedyncze strzępki wrastające do strefy korzenia. Dojrzałym storczykom (epifitom) mikoryza dostarcza tylko wodę, same prowadzą asymilację.

33. Scharakteryzuj mikoryzę monotropoidalną, erikoidalną i arbutoidalną.

Mikoryza monotropoidalna, erikoidalna, arbutoidalna zaliczana jest do endomikoryz, tzn. strzępki grzyba wnikają do wnętrza żywych komórek lub kory pierwotnej korzenia.

Mikoryza erikoidalna - mikoryza wrzosowatych (Ericaceae)

Gospodarz: wrzos, różanecznik.

Strzępki rosną po powierzchni korzeni, wnikają do komórek ryzodermy gdzie tworzą ciasne zwoje. Każda zainfekowana komórka ma własne połączenie z glebą. Zamieranie komórek gospodarza i strzępek po 7 tygodniach.

U różaneczników infekcja komórek ryzodermy może zachodzić bezpośrednio z gleby, z jednej komórki do drugiej, może rozprzestrzeniać się na korę pierwotną.

Mikoryza monotropoidalna (VA)

Gospodarz - korzeniówka

Korzysta z asymilatów i związków mineralnych korzeni roślin szpilkowych i bukowych.

Na korzeniach korzeniówki występuje mufka i sieć Hartiga. Z mufki do komórek ryzodermy wrastają haustoria, które pękają w czasie kwitnienia a zawartość przejmuje gospodarz.

Korzeniówka wykorzystuje bezpośrednio gospodarza, a równocześnie korzysta z mikoryzy.

Mikoryza arbutoidalna (VA)

Gospodarz - chruścina.

Grzyb wytwarza mufkę i sieć Hartiga, a strzępki w ryzodermie tworzą zwoje, później łączy cechy ektomikoryzy i mikoryzy erikoidalnej.

34. Wymiana metabolitów pomiędzy partnerami mikoryzy. Znaczenie mikoryzy.

Wymiana metabolitów:

• od fotobionta pochodzą związki organiczne

• od mykobionta pochodzi woda i sole min.

Fotobiont: Zielenica daje mykobiontowi: Rybitol, Sorbitol i Erytriol.

Fotobiont: Sinica daje mykobiontowi: glukozę.

Na terenie mykobionta związki otrzymane od fotobiona przekształcane są do mannitolu.

Mykobionty produkują metabolity wtórne, czyli kwasy porostowe i przesyłają je do fotobionta, ale produkowane są z substancji pochodzących od fotobionta.

Związki min., których dostarcza mykobiont pochodzą ze związków zawartych w wodzie, kurzu, pyle, odchodach ptasich, mgły. Są to: K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, SO₄^2-, PO₄^2-, NO₃.

Sinice mają zdolność wiązania wolnego azotu z powietrza i ten wiązany azot może być przesyłany do mykobionta.

Witaminy (tiamina) B₁, (biotyna) H pochodzą od fotobionta.

Na terenie heterocyst zachodzi wiązanie wolnego azotu do amoniaku, ten trafia do mykobionta i zostaje przekształcony do jonów amonowych i następnie do glutaminianu, który jest wykorzystywany do syntezy innych aminokwasów i białek. Formą transportową na terenie plechy jest alanina. Sinice mają związki azotowe wbudowane w cjanoficynie.

Kompeks haustorialny: w tych kompleksach zachodzi wymiana metabolitów. Jest to strzępka przypominająca kształtem kieliszek, w której są komórki fotobionta. Ściana kom. „kieliszka” jest trójwarstwowa, hydrofobowa, a ściana kom. fotobionta jest homogenna, amorficzna.

Właściwa wymiana zachodzi w przyściennym haustorium (szczyt nóżki). W apoplaście przyściennego haustorium znajdują się pompy protonowe, wytwarzane jest duże stężenie H⁺ poza błoną w apoplaście. Dyfuzyjny powrót jonów wodorowych zgodnie z różnicą stężeń działa jako napęd transportu jonów i np. glukozy.

Kwasy porostowe: są wytwarzane przez porosty (mykobionta) z substancji dostarczanych od fotobionta. Są to zw. organiczne. Są to metabolity wtórne porostów gromadzone na powierzchni plechy. Należą do 3 grup: octanowo-polimalonianowej, mewalonianowej, szikimowej. Jest ich 350 rodzajów.

Cechy: - większość bezbarwne (żółte to np. kwas usninowy)

• nierozpuszczalne w wodzie,

• rozpuszczalne w benzenie i acetonie

• bez smaku i zapachu

• sporadycznie trujące np. kwas wulpinowy

• nieliczne gorzkie i piekące

Są: bakteriostatyczne i antybiotyczne (chronią plechę przed patogenami), chronią przed UV, mają właściwości chelatujące, uczestniczą w nukleacji.

Właściwości chelatujące: kwasy porostowe łączą się wielokrotnie z magnezem i wapniem (wyłapując je) i prowadzi to do rozkrusznia podłoża.

Nukleacja to tworzenie zawnątrzkomórkowych kryształków lodu - ważne przy przeżyciu w niskich temp.




Znaczenie mikoryzy:

• zwiększa plony roślin uprawnych

• ułatwia przeżywalność nowo posadzonych roślin

• ułatwia wzrost roślin na ubogich glebach

• chroni przed patogenami poprzez:

* wytworzenie mufki, która stanowi barierę do infekcji,

* wydzielanie substancji antybiotycznej (fenoli, fitoaleksyn, terpenów)

• zmniejsza dostępność patogenów do składników mineralnych i pokarmowych

• podnosi odporność na suszę, mróz i wysoką temperaturę

35. Charakterystyka zooksantelli wchodzących w symbiozę z koralowcami.

Zooksantelle - symbiotyczne jednokomórkowe glony z grupy dinofitów, żyjące w ciele pierwotniaków, parzydełkowców, płazińców i mięczaków. Spośród licznych gospodarzy, najważniejsze są parzydełkowce, zwłaszcza różne koralowce. Dinofity korali rafotwórczych dostarczają im produktów fotosyntezy w zamian za ułatwienie dostępu do światła (dlatego korale te mogą żyć tylko na głębokościach do 100 m i w przypadku podnoszenia się poziomu morza muszą podwyższać swe budowle, powodując powstawanie atoli - jak wyjaśnił to Ch. Darwin). Wymagania termiczne zooksantelli (co najmniej 20° C) ograniczają zasięg geograficzny korali rafowych.

Są one podzielone na dwie grupy:

1 - szczepy Symbiodinium

2 - szczepy Amphidinium.

Roje Symbiodinium wpływają do otworu gębowego polipów i są pobierane endocytotycznie do komórek gospodarza. Występują w entodermie. U niektórych korali i ukwiałów glony są pobierane przez komórki jajowe krótko po zapłodnieniu. Symbiodinium przekazuje gospodarzowi 20-60% węgla związanego w fotosyntezie w formie glicerolu i małych ilości glukozy i alaniny. Zooksantelle pobierają od gospodarza związki organiczne (zwł. związki azotu, ponieważ symbionty

nie mogą pobierać azotanów i nie posiadają reduktazy azotanowej).

Z nielicznymi wyjątkami wszystkie koralowce tworzące rafy są symbiotycznie związane z Symbiodinium microadriaticum.

Gospodarz - koralowiec - może poprawić wydajność fotosyntetyczną symbionta poprzez mechanizm transformujący długość fali świetlnej z krótszej na taką, która odpowiada maksimom absorpcji symbionta glonowego.

Cechy Symbiodinium microadriaticum:

• Wolnożyjące posiadają pancerzyk celulozowy z 2 bruzdami: poprzeczną (wić połączona z fałdem cytoplazmy) podłużną (wić ruchoma)

• Symbiotyczne tracą wici i występuje redukcja pancerzyka. Posiadają rozczłonowany chloroplast z pirenoidem, ziarna skrobi, w jądrze brak histonów; chromosomy nie ulegają despiralizacji w interfazie.


Opis rysunku:
1. komórka ektodermy
2. komórka entodermy
3. mezoglea
4. komórka pigmentowa
5. zooksantella
6. jądra komórek

Zooksantele są podzielone na dwie grupy:

1 - szczepy Symbiodinium

2 - szczepy Amphidinium.

Roje Symbiodinium wpływają do otworu gębowego polipów i są pobierane endocytotycznie do komórek gospodarza. Nie wiadomo, dlaczego nie dochodzi do połączenia lizosomów z pobranymi endosymbiontami i następnie ich strawienia. U niektórych korali i ukwiałów glony są pobierane przez komórki jajowe krótko po zapłodnieniu. Larwy takich zwierząt nie muszą być ponownie infekowane i powstające osobniki dorosłe wykazują bardzo wysoką specyficzność symbiotyczną.

Gatunki żyjące ciągle w stanie symbiotycznym są bardzo stabilne fizjologicznie, dlatego symbiozy są częstsze u organizmów rozmnażających się bezpłodnie niż u przechodzących rozmnażanie płciowe.

Symbiodinium przekazuje gospodarzowi 20-60% węgla związanego w fotosyntezie w formie glicerolu i małych ilości glukozy i alaniny. U ukwiałów do 100% zapotrzebowania energetycznego gospodarza może być zaspokojone przez symbiotyczne glony.

Zooksantelle pobierają od gospodarza związki organiczne (zwł. związki azotu, ponieważ symbionty nie mogą pobierać azotanów i nie posiadają reduktazy azotanowej). Symbioza wpływa na zachowanie gospodarza. Ukwiały z siedliska słonecznego z symbiontami wykazują dodatnią fototaksję. Zwierzęta niesymbiotyczne nie wykazują taksji, a zwierzęta symbiotyczne z siedlisk zacienionych wykazywały fototaksję ujemną. Z nielicznymi wyjątkami wszystkie koralowce tworzące rafy są symbiotycznie związane z Symbiodinium microadriaticum. Prawie 10% ogólnej produkcji pierwotnej mórz pochodzi z fotosyntezy symbiontów koralowców. Jest to w morzach koralowych około 3 x 109 ton związanego węgla w ciągu roku. Gospodarz - koralowiec - może poprawić wydajność fotosyntetyczną symbionta poprzez mechanizm transformujący długość fali świetlnej z krótszej na taką, która odpowiada maksimom absorpcji symbionta glonowego. Dzięki temu mechanizmowi koralowiec Leptoseris fragilis może rosnąć na głębokości 95-135 m poniżej poziomu morza, przy zaledwie 2% intensywności światła, zapewniającej maksymalną fotosyntezę zooksantelli. Do 95% związanego ogólnego węgla może być przekazane zwierzęciu. W symbiozie tej najważniejsze jest współdziałanie metabolizmu symbiotycznego z metabolizmem związanym z tworzeniem szkieletu wapiennego, a przez to z budowaniem samej rafy koralowej. Wzrost rafy jest 3-10 razy szybszy na świetle niż w ciemności. Przy współudziale tej symbiozy mogą powstawać atole zawierające 500 km3 stałej substancji.

36. Jak zmienia się metabolizm heterocyst u sinic wchodzących w symbiozę?

• W stanie symbiozy u sinicy występuje wyraźnie większa liczba heterocyst. Heterocysty są grubościennymi, zróżnicowanymi komórkami, które nie posiadają fotosystemu II i są jedynymi komórkami, w których znajduje się u sinic nitrogenaza - kompleks enzymatyczny, wiążący azot cząsteczkowy.

• Podczas tworzenia heterocysty na zewnątrz istniejącej ściany komorkowej odkładana jest dwuwarstwowa otoczka z wielocukrów i glikolipidow. Tworzenie heterocyst wymaga aktywacji licznych genów, nieaktywnych w komórkach wegetatywnych. Heterocysty nie mają fotosystemu II i stąd nie wykazują fotosyntetycznej produkcji O2. Heterocysty nie posiadają także cyklu Calvina, a źródłem węgla są dwucukry z komórek wegetatywnych. Kom. Wegetatywna otrzymuje od heterocysty związany N, głównie w formie glutaminy. Gospodarz dostarcza symbiontowi produkty fotosyntezy. U sinicy wykrywana jest sacharoza, która nie może być przez nią syntetyzowana.

• 
  


w przypadku sagowców: N₂ przekazywany jest w postaci glutaminy/ cytruliny



N₂ + 12ATP 2NH₃ + 12ADP + 12P_i

W wolnożyjącej N₂ NH₃ NH₄ GLN

GS - syntetaza glutaminowa/ glutaminianowa

GLN - glutamina

Symbioza: ↑ N₂aza

↓ GS wyjątek: sagowce

Heterocysty nie mają fotosystemu II i stąd nie wykazują fotosyntetycznej produkcji O2. Heterocysty nie posiadają także cyklu Calvina, a źródłem węgla są dwucukry z komórek wegetatywnych. Gospodarz dostarcza symbiontowi produkty fotosyntezy. U sinicy wykrywana jest sacharoza, która nie może być przez nią syntetyzowana. Symbioza Azolla-Nostoc wykorzystuje światło lepiej niż odizolowane organizmy symbiotyczne. Spowodowane jest to obecnością fikobiliproteidów, zwłaszcza fikocyjaniny, co poszerza zakres absorbowanego światła. Chlorofil Nostoc stanowi poniżej 20% ogólnego chlorofilu symbiozy. Jego udział w ogólnym wiązaniu CO2 symbiozy oszacowano na zaledwie 5%. W symbiozie ulega większej ekspresji nitrogeneza, a wyciszeniu syntetaza glutaminianu. NH₃ odtransportowywane jest do rośliny. Komórki otaczające od razu wiążą NH₃ w związki organiczne. W wolnożyjących 3 % komórek to heterocysty (więcej nie jest w stanie się wyżywić). W symbiozie do 40%, ponieważ roślina dostarcza bardzo wydajnie cukry zarówno do rośliny jak i do heterocyst. Sinice więc nie przeprowadzają fotosyntezy tylko produkują NH₃ . Jedynie u sagowców glutaminian jest dostarczany roślinie a nie NH₄

37. Omów cykl życiowy Azolla i przedstaw, co dzieje się z Anabena azollae w trakcie poszczególnych etapów tego cyklu.

Symbioza Azolla-Nostoc

• Azolla (Azollaceae, Salviniales) jest rożnozarodnikową paprocią. Mikrosymbiont Azolla, klasyfikowany zwykle jako Anabaena, może pochodzić z rodzaju Nostoc.

• Dzięki symbiozie z wiążącą N2 sinicą, paproć ta ma bardzo wysoki współczynnik wzrostu.

• W cyklu płciowym paproci na brzusznym liściu tworzone są makro- i mikrosporokarpia. Makrospora kiełkuje w przedrośle żeńskie, na którym rozwija się jedna lub więcej rodni. Mikrospora kiełkuje i tworzy przedrośle męskie, na którym rozwijają się plemnie z plemnikami.

• Zapłodnienie komórki jajowej następuje w środowisku wodnym lub wilgotnym. Zarodek rozwijający się z zygoty wyrasta w sporofit, rozmnażający się dalej wegetatywnie. Mikrosymbiont Nostoc przekazywany jest do zygoty poprzez makrosporokarp i rodnie w postaci akinet. Podczas kiełkowania zygoty sinica wyrasta w niezrożnicowane nici, które kolonizują specjalną kawernę, utworzoną po brzusznej stronie zawiązka liścia. Kawerna powstaje wskutek zarastania przez epidermę zagłębienia w liściu. Każda kawerna liściowa zawiera jeden lub więcej włosków.

• Komórki włoska są połączone licznymi plazmodesmami i mogą być komórkami transferowymi, prawdopodobnie uczestniczą one w wymianie metabolitów pomiędzy symbiontami. Nad środkiem kawerny komórki epidermy tworzą por, który umożliwia wymianę gazową ze środowiskiem. Nici sinicy kolonizują kawernę, po czym paproć i sinica rozwijają się synchronicznie. Jeżeli wzrost gospodarza jest ograniczony, odpowiednio zredukowany jest wzrost Nostoc

• Sinica różnicuje coraz więcej heterocyst wraz z wiekiem liścia. Zmienia się to od 0% heterocyst w koloniach Nostoc w młodych liściach do 30% w liściach znajdujących się w największej odległości od szczytu pędu. W heterocystach znajdują się cyjanoficyna. Cyjanoficyna jest formą zapasową azotu i jest wytwarzana z argininy i asparaginy. Zimą ilość magazynowanego N jest wysoka, latem - niska. Prawdopodobnie latem zapotrzebowanie rośliny na azot uniemożliwia tworzenie cyjanoficyny.

38. Porównaj symbiozy paproci wodnej Azolla i sagowców z sinicami.

Azolla	Sagowce
obligatoryjna	Fakultatywna
Zewnątrzkomórkowa w kawernach na liściach wypełnionych śluzem o otoczonych komórkami niefotosyntetyzującymi	Przestrzenie międzykomórkowe korzeni koraloidowych otoczone komórkami niefotosyntetyzującymi
Mikrosymbiont Nostoc przekazywany jest do zygoty poprzez makrosporokarp i rodnie w postaci akinet. Podczas kiełkowania zygoty, sinica wyrasta w niezróżnicowane nici, które kolonizują specjalną kawernę, utworzoną po brzusznej stronie zawiązka liścia. Na długości pędu różne stadia rozwojowe symbiozy.	Korzenie koraloidowe rozwijają się niezależnie od infekcji i mogą pełnić funkcje korzeni oddechowych lub zostać skolonizowane przez sinice. Wierzchołek korzeni nie posiada typowej czapeczki korzeniowej. W szczytowej części korzenia następuje infekcja sinicami z rodzaju Nostoc lub Anabaena. Infekcja następuje poprzez miejsca, w których rozpuściła się blaszka środkowa lub czasami poprzez martwe komórki.
Każda kawerna liściowa zawiera jeden lub więcej włosków. Komórki włoska są połączone licznymi plazmodesmami i mogą być komórkami transferowymi, prawdopodobnie uczestniczą one w wymianie metabolitów pomiędzy symbiontami Komórki włoska posiadają ap. Golgiego, ER, jądro, mitochondria, centralną dużą wakuolę, plastydy (niefunkcjonalne) oraz ścianę komórkową z wyrostkami.	Okoliczne komórki gospodarza mają powiększone jądra komórkowe, liczne mitochondria i silnie rozwinięte endoplazmatyczne retikulum, niefunkcjonalne plastydy. U Cycas komórki gospodarza w strefie symbiozy rozwijają się w dwojaki sposób: - małe komórki gospodarza bogate w cytoplazmę podlegają lizie i wytwarzają w ten sposób duże przestrzenie międzykomórkowe, w których namnaża się Anabaena, - wydłużone, aktywne metabolicznie komórki gospodarza przerastają strefę symbionta.
W heterocystach gromadzona jest cyjanoficyna (forma zapasowa azotu)	W heterocystach gromadzona jest cyjanoficyna (forma zapasowa azotu)
: ↑ N2aza ↓ GS	↑ GS ↓ N2aza
Symbioza Azolla-Nostoc wykorzystuje światło lepiej niż odizolowane organizmy symbiotyczne. Spowodowane jest to obecnością fikobiliproteidow, zwłaszcza fikocyjaniny, co poszerza zakres absorbowanego światła.

U sagowców Cycas komórki gospodarza w strefie symbiozy rozwijają się w dwojaki sposob:

- małe komórki gospodarza bogate w cytoplazmę podlegają lizie i wytwarzają w ten sposób duże przestrzenie międzykomórkowe, w których namnaża się Anabaena,

- wydłużone, aktywne metabolicznie komórki gospodarza przerastają strefę symbionta. Anabaena - symbiont z korzeni koraloidowych Cycas revoluta wykazuje cykl roczny pod względem gromadzenia cyjanoficyny. Cyjanoficyna jest formą zapasową azotu i jest wytwarzana z argininy i asparaginy. Zimą ilość magazynowanego N jest wysoka, latem - niska. Prawdopodobnie latem zapotrzebowanie rośliny na azot uniemożliwia tworzenie cyjanoficyny.

39. Porównaj symbiozy Gunnera i sagowców z sinicami.

Gunnera	Sagowce
Fakultatywna (?) - > symbioza z Nostoc niezbędna do pełnego cyklu życiowego	Fakultatywna
Wewnątrzkomórkowa symbioza z Nostoc punctiforme Tkanka symbiotyczna tworzy podobne do gruczołów organy u podstawy liści na krzaczastej osi rośliny.	Przestrzenie międzykomórkowe korzeni koraloidowych otoczone komórkami niefotosyntetyzującymi
Sposób infekcji: Szczytowe komórki gruczołów podlegają lizie, tworząc większe pory wypełnione śluzem. Kilka komórek mikrosymbionta dokonuje inwazji poprzez pory gruczołów. U innych gatunków Gunnera infekcja następuje poprzez specyficzne papille. Symbionty wchodzą do cienkościennych komórek merystematycznych u podstawy papilli, a wchodząc - zostają zamknięte wewnątrz pęcherzyka błony pochodzącej z błony komórkowej gospodarza (analogia do błony symbiosomu w symbiozie Rhizobium-motylkowate). Sinice dzielą się wewnątrz pęcherzyków i rożnicują w heterocysty.	Korzenie koraloidowe rozwijają się niezależnie od infekcji i mogą pełnić funkcje korzeni oddechowych lub zostać skolonizowane przez sinice. Wierzchołek korzeni nie posiada typowej czapeczki korzeniowej. W szczytowej części korzenia następuje infekcja sinicami z rodzaju Nostoc lub Anabaena. Infekcja następuje poprzez miejsca, w których rozpuściła się blaszka środkowa lub czasami poprzez martwe komórki.
Gruczoł powstaje poprzez podziały komórek zainfekwanych. Wokół komórek zainfekowanych strefa komórek granicznych połączonych plasmodesmami. Otaczające gruczoł komórki łodygi zawierają ziarna skrobi oraz taniny.	Okoliczne komórki gospodarza mają powiększone jądra komórkowe, liczne mitochondria i silnie rozwinięte endoplazmatyczne retikulum, niefunkcjonalne plastydy. U Cycas komórki gospodarza w strefie symbiozy rozwijają się w dwojaki sposób: - małe komórki gospodarza bogate w cytoplazmę podlegają lizie i wytwarzają w ten sposób duże przestrzenie międzykomórkowe, w których namnaża się Anabaena, - wydłużone, aktywne metabolicznie komórki gospodarza przerastają strefę symbionta.
Sinice transportują N2 w postaci NH4	Sinice transportują N2 w postaci cytruliny i/lub glutaminy.

Symbioza Gunnera-Nostoc

Rodzaj Gunnera (Gunneraceae) wchodzi w wewnątrzkomorkową symbiozę z Nostoc punctiforme.

Dostęp światła stymuluje aktywność nitrogenazy tej sinicy. Tkanka symbiotyczna tworzy podobne

do gruczołow organy u podstawy liści na krzaczastej osi rośliny. Sposob infekcji badany był z zastosowaniem wolnych od endosymbionta roślin Gunnera

macrophylla. Szczytowe komorki gruczołow podlegają lizie, tworząc większe pory wypełnione

śluzem. Kilka komorek mikrosymbionta dokonuje inwazji poprzez pory gruczołow.

U innych gatunkow Gunnera infekcja następuje poprzez specyficzne papille. Symbionty wchodzą

do cienkościennych komorek merystematycznych u podstawy papilli, a wchodząc - zostają

zamknięte wewnątrz pęcherzyka błony pochodzącej z błony komorkowej gospodarza (analogia do

błony symbiosomu w symbiozie Rhizobium-motylkowate). Sinice dzielą się wewnątrz

pęcherzykow i roŜnicują w heterocysty. N2 związany przez mikrosymbionta jest przekazywany do

rośliny gospodarza.

Gunnera moŜe być infekowana przez szczepy Nostoc z Cycas revoluta, Peltigera polydactyla lub

Anthoceros. Jednak szczepy z Anthoceros i Peltigera wykazują zmniejszoną infekcyjność w

porownaniu do prawdziwego symbionta. Szczepy Nostoc z Encephalartos i Macrozamia nie

infekują Gunnera. Nostoc azollae takŜe nie moŜe kolonizować Gunnera.

40. Jakie wzajemne korzyści czerpią organizmy wchodzące w układ symbiotyczny zooksantella-koralowiec? Czy wśród jamochłonów występują jeszcze inne podobne układy?

Zakres symbiotycznych gospodarzy dinofitów jest wyjątkowo szeroki. Obejmuje niektóre pierwotniaki, parzydełkowce, płazińce i mięczaki. Spośród licznych gospodarzy, najważniejsze są parzydełkowce, zwłaszcza rożne koralowce.

Gatunki koralowców żyjące ciągle w stanie symbiotycznym są bardzo stabilne fizjologicznie, dlatego symbiozy są częstsze u organizmów rozmnażających się bezpłodnie niż u przechodzących rozmnażanie płciowe.

Symbiodinium przekazuje gospodarzowi 20-60% węgla związanego w fotosyntezie w formie glicerolu i małych ilości glukozy i alaniny. U ukwiałów do 100% zapotrzebowania energetycznego gospodarza może być zaspokojone przez symbiotyczne glony.

Zooksantelle pobierają od gospodarza związki organiczne (zwł. związki azotu, ponieważ symbionty nie mogą pobierać azotanów i nie posiadają reduktazy azotanowej).

Gospodarz - koralowiec - może poprawić wydajność fotosyntetyczną symbionta poprzez mechanizm transformujący długość fali świetlnej z krótszej na taką, która odpowiada maksimom absorpcji symbionta glonowego. Dzięki temu mechanizmowi koralowiec Leptoseris fragilis może rosnąć na głębokości 95-135 m poniżej poziomu morza, przy zaledwie 2% intensywności światła, zapewniającej maksymalną fotosyntezę zooksantelli.

Do 95% związanego ogólnego węgla może być przekazane zwierzęciu. W symbiozie tej najważniejsze jest współdziałanie metabolizmu symbiotycznego z metabolizmem związanym z tworzeniem szkieletu wapiennego, a przez to z budowaniem samej rafy koralowej. Wzrost rafy jest 3-10 razy szybszy na świetle niż w ciemności.

Wytwarzanie szkielecika wapiennego:

Jony Ca²⁺ , znajdujące się w wodzie morskiej, wtłaczane są do przestrzeni za pomocą ATPazy zależnej od Ca²⁺; energia do działania ATPazy pochodzi z zooksantelli.

Ca²⁺ + 2HCO₃^- →Ca(HCO₃)₂→CaCO₃↓ (szkielet koralowca w postaci argonitu) + H₂CO₃→CO₂ (wykorzystywany przez zooksantelle)+ H₂O

Podsumowanie:

• koralowiec otrzymuje od zooksantelli cukry, czyli energię niezbędną do tworzenia szkieletu wapiennego

• zooksantella od koralowca: ochronę; metabolity zawierające azot (nie posiada reduktazy azotanowej); CO₂ do fotosyntezy

Czy wśród jamochłonów występują jeszcze inne podobne układy?

• Symbioza stułbia-Chlorella

Komórki trawiące endodermy stułbi Hydra viridis pobierają szczepy symbiotyczne Chlorella z jamy chłonąco-trawiącej poprzez fagocytozę. Glony są następnie pojedynczo zamykane w wakuolach i transportowane z wierzchołka komórki gospodarza do jej podstawy. Pobierane mogą być nie tylko symbiotyczne Chlorella, ale także inne organizmy, jednak są one zamykane w nieco większych, nie przemieszczających się wakuolach, odrzucanych zwykle w ciągu 24 h. W ciągu pierwszych 1-3 dni eliminowana jest także część pobranej symbiotycznej Chlorella. Po tym czasie liczba symbiontów w jednej komórce wzrasta po kilku tygodniach do 12-15 na 1 komórkę. Liczba symbiontów jest regulowana przez niezainfekowaną część Hydra poprzez jak dotąd nieznane mechanizmy fizjologiczne.

Spośród badanych 15 taksonów Chlorella, tylko 5 było zdolne do tworzenia stabilnej symbiozy z Hydra viridis. Jedną z cech istotnych dla symbiozy jest tolerancja Chlorella na zakwaszenie (wzrost przy pH 3.5-4.0).

W stanie symbiozy czynnikiem ograniczającym dla glonu wydaje się być azot. Nawet w stanie symbiozy Hydra viridis nie może żyć całkowicie autotroficznie

Z nielicznymi wyjątkami wszystkie koralowce tworzące rafy są symbiotycznie związane z Symbiodinium microadriaticum. Prawie 10% ogolnej produkcji pierwotnej mórz pochodzi z fotosyntezy symbiontów koralowców. Gospodarz - koralowiec może poprawić wydajność fotosyntetyczną symbionta poprzez mechanizm transformujący długość fali świetlnej z krótszej na taką, która odpowiada maksimom absorpcji symbionta glonowego. Dzięki temu mechanizmowi koralowiec Leptoseris fragilis może rosnąć na głębokości 95-135 m poniżej poziomu morza, przy zaledwie 2% intensywności światła, zapewniającej maksymalną fotosyntezę zooksantelli. Do 95% związanego ogólnego węgla może być przekazane zwierzęciu. W symbiozie tej najważniejsze jest współdziałanie metabolizmu symbiotycznego z metabolizmem związanym z tworzeniem szkieletu wapiennego, a przez to z budowaniem samej rafy koralowej. Wzrost rafy jest 3-10 razy szybszy na świetle niż w ciemności. Przy współudziale tej symbiozy mogą powstawać atole zawierające 500 km3 stałej substancji. Jamochłony mogą także wchodzić w układ symbiotyczny z zielenicami, np. symbioza stułbia-Chlorella. Komórki trawiące endodermy stułbii Hydra viridis pobierają szczepy symbiotyczne Chlorella z jamy chłonąco-trawiącej poprzez fagocytozę. Glony są następnie pojedynczo zamykane w wakuolach i transportowane z wierzchołka komórki gospodarza do jej podstawy. Pobierane mogą być nie tylko symbiotyczne Chlorella, ale także inne organizmy, jednak są one zamykane w nieco większych, nie przemieszczających się wakuolach, odrzucanych zwykle w ciągu 24 h. W ciągu pierwszych 1-3 dni eliminowana jest także część pobranej symbiotycznej Chlorella. Po tym czasie liczba symbiontów w jednej komórce wzrasta po kilku tygodniach do 12-15 na 1 komórkę. Liczba symbiontów jest regulowana przez niezainfekowaną część Hydra poprzez jak dotąd nieznane mechanizmy fizjologiczne. Rozpoznawanie glonów symbiotycznych, w przeciwieństwie do niesymbiontów i cząstek pokarmu, odbywa się prawdopodobnie przez mikrokosmki komórek entodermy. Mikrokosmkipobierające symbionty tworzą sieć nad powierzchnią komórki glonu zanim nastąpi pobranie symbionta. Gdy używa się martwych komórek glonu lub cząstek lateksu, takiej sieci nie obserwuje się, ale jest tworzona z powierzchni błony komórkowej struktura rurkowata. Zatem mikrokosmki doprowadzające do endocytozy symbiontów są odmienne od tych, które przeprowadzają fagocytozę cząstek pokarmowych. Tak, więc specyficzność ze strony gospodarza jest zapewniona przez rożne typy mikrokosmków. Nie ma wyraźnej granicy pomiędzy grupami Chlorella symbiotycznymi (kompatybilnymi) i grupą innych, niesymbiotycznych (niekompatybilnych). Niektóre szczepy są szybko eliminowane z komórek gospodarza, inne niesymbiotyczne szczepy mogą utrzymywać się w gospodarzu.

41. Jakie wzajemne korzyści czerpią organizmy wchodzące w układ symbiotyczny sinica-Azolla. Czy symbioza zmienia wzajemną proporcję heterocyst do komórek wegetatywnych? Jeśli tak, to w jaki sposób?

• Azolla (Azollaceae, Salviniales) jest różnozarodnikową paprocią. Mikrosymbiont Azolla, klasyfikowany zwykle jako Anabaena, może pochodzić z rodzaju Nostoc.

• Dzięki symbiozie z wiążącą N2 sinicą, paproć ta ma bardzo wysoki współczynnik wzrostu.

• Sinica różnicuje coraz więcej heterocyst wraz z wiekiem liścia. Zmienia się to od 0% heterocyst w koloniach Nostoc w młodych liściach do 30% w liściach znajdujących się w największej odległości od szczytu pędu.

• Heterocysty nie mają fotosystemu II i stąd nie wykazują fotosyntetycznej produkcji O2. Heterocysty nie posiadają także cyklu Calvina, a źrodłem węgla są dwucukry z komórek wegetatywnych.

• Symbioza Azolla-Nostoc wykorzystuje światło lepiej niż odizolowane organizmy symbiotyczne. Spowodowane jest to obecnością fikobiliproteidow, zwłaszcza fikocyjaniny, co poszerza zakres absorbowanego światła.

42. Jakie wzajemne korzyści czerpią organizmy wchodzące w układ symbiotyczny zooksantella-koralowiec? Z jakimi innymi organizmami zooksantelle mogą wchodzić w symbiozy?

1. koralowiec otrzymuje od zooksantelli cukry, czyli energię niezbędną do tworzenia szkieletu wapiennego

2. zooksantella od koralowca: ochronę; metabolity zawierające azot (nie posiada reduktazy azotanowej); CO₂ do fotosyntezy

Zakres symbiotycznych gospodarzy dinofitów jest wyjątkowo szeroki. Obejmuje niektóre pierwotniaki (pantofelek, wirek Convoluta roscoffensis), parzydełkowce (stułbia, koralowce), płazińce i mięczaki (Tridacna gigas). Spośród licznych gospodarzy, najważniejsze są parzydełkowce, zwłaszcza różne koralowce.

43. Przedstaw symbiozę z udziałem okrzemek. Dlaczego ta symbioza jest tak unikalna?

• Morskie planktonowe okrzemki Rhizosolenia i Hemiaulus mogą zawierać endosymbiotyczną sinicę Richelia intracellularis. Symbiont ma formę nici z heterocystami na końcach, może wiązać N2. Szacuje się, że symbioza ta wiąże 15 x 106 ton N w ciągu roku. Biorąc pod uwagę, że normalnie w wodach azot jest czynnikiem ograniczającym w odżywianiu, okrzemki te grają ważną rolę w ekologii wód oceanicznych.

• Bentosowe okrzemki Rhopalodia gibba zawierają od dwu do pięciu symbiontów podobnych do sinic. Wiążą one N2 w ilości około 10 nmol C2H4 / h / mg białka. Jest to znacznie mniej niż u wolnożyjących sinic. Optimum tlenowe wynosi 4-5% O2 w fazie gazowej. Nie wiadomo, jak w tej symbiozie nitrogenaza jest chroniona przed tlenem wydzielanym przez chloroplasty okrzemki i tylakoidy endosymbionta.

• 
  

• Symbioza okrzemki-sinice jest obligatoryjna, wewnątrzkomórkowa w symbiosomach,

• komórki gospodarza mają zdolność fotosyntezy.

CHRYZOFITY JAKO SYMBIONTY

Okrzemki z rodzaju Licmophora zostały zidentyfikowane jako symbionty w peryferycznej parenchymie wirka Convoluta convoluta. Ważniejsza ekologicznie jest symbioza pomiędzy okrzemkami i otwornicami, należącymi do pierwotniaków. Wszystkie znalezione endosymbionty to względnie małe okrzemki pierzaste. Większość otwornic zawiera jako symbionta tylko jeden gatunek okrzemki, tylko u kilku z nich mogą występować dwa lub trzy rożne gatunki, okrzemka Fragilaria shiloi może infekować różne gatunki otwornic. Okrzemki w stanie symbiozy z wirkami i otwornicami nie syntetyzują typowej ściany komórkowej. Po izolacji i hodowli na odpowiedniej pożywce okrzemki regenerują pancerzyki. Symbioza jest obligatoryjna dla otwornicy Amphistegina lessonii, nawet z dodatkowym dokarmianiem (glony, bakterie, pierwotniaki i drożdże), ponieważ zwierzę to nie może rosnąć w ciemności. Optymalne światło jest słabe (2-3 W m-2). Inne otwornice są zwykle zależne od odpowiedniego pokarmu, a fotosyntetyczne wiązanie CO2 pokrywa tylko około 10% ich zapotrzebowania na węglowodany.

44. Przedstaw hipotezę podwójnej endosymbiozy i jej wpływ na kształtowanie się gromad zaliczanych do królestwa roślin.

TU MAMY TAK SAMO

Po zajściu pierwotnej endosymbiozy nastąpiły wtórne endosymbiozy w wyniku, których glony eukaryotyczne zostały zasymilowane przez eukaryotyczne komórki heterotroficzne jako plastydy. 300 milionów lat temu niski poziom dwutlenku węgla w atmosferze stanowił czynnik ograniczający rozwój organizmów. Glony występujące w wakuoli odżywczej miały kwaśne środowisko, co powodowało zwiększenie rozpuszczalności C02 i większą jego dostępność. Ponadto metabolizm makrosymbionta dostarczał dodatkowego źródła tego związku. Powstały w ten sposób gromady glonów: Cryptophyta, Heterocontophyta, Dinophyta, Haptophyta oraz jeden pasożytniczy typ Apicomplexa. Wszystkie one dziedziczą plastydy typu krasnorostowego. Ponadto w kolejnych podwójnych endosymbiozach powstały grupy glonów takie jak Chlorarachniophyta i Euglenophyta. Donorem plastydu do tych endosymbioz była zielenica, jednak komórki stanowiące w obu tych wypadkach makrosymbiont różnią się od siebie. Tak, więc plastydy występujące u powyższych organizmów powinny być otoczone 4 błonami. Wewnętrzna pochodzi od mikrosymbionta, dwie środkowe od symbionta pośredniego i zewnętrzna od makrosymbionta. Ponadto w pewnym okresie w powstającej komórce powinny się znajdować trzy genomy: mikrosymbionta, symbionta pośredniego i makrosymbionta (nie licząc genomów mitochondrialnych). Genom mikrosymbionta to nukleoid występujący w chloroplaście, genom makrosymbionta to jądro komórkowe. Natomiast genom pośredniego makrosymbionta nazwano nukleomorfem. Jest to struktura przypominająca jądro, otoczona dwoma błonami, posiadająca jąderko. Umieszczony on jest w przestrzeni między drugą i trzecia błoną plastydu. Nukleomorf występuje u dwóch niespokrewnionych ze sobą grup organizmów: Cryptomonadophyta i Chlorarachniophyta. Nukleomorf Guilardia theta (jednokomórkowa kryptomonada) ma 551kb, 3 chromosomy (95, 206 i 250kb). Występuje w nim bardzo silne upakowanie genów, nieliczne, małe introny oraz geny zachodzące na siebie. Znajdują się sekwencje charakterystyczne dla genomu eukariotycznego i sinicowego, co świadczy o transferze genów z mikrosymbionta sinicowego. Również w jądrze komórki znaleziono geny pochodzenia prokaryotycznego. W wyniku ewolucji u większości organizmów powstałych w wyniku podwójnej endosymbiozy nukleomorf uległ redukcji. Ponadto u niektórych gromad jedna z czterech błon otaczających chloroplast również zanikła.

Endosymbioza




Endosymbioza doprowadziła do powstania z dwóch organizmów jednego. Proces ten zarówno w wypadku endosymbiozy pierwotnej jak i podwójnej był związany z poziomym transferem genów pomiędzy symbiontami. W konsekwencji zmuszało to organizm do wytworzenia mechanizmu transportu białek z powrotem do chloroplastu przez błony otaczające ten plastyd. Jednocześnie w komórce makrosymbionta zachodziły zmiany związane z adaptacją do przejścia z heterotroficznego odżywiania na autotroficzny. Kolejnym problemem w wytwarzającej się endosymbiozie była synchronizacja cyklów podziałów obu partnerów i segregacja potomnych komórek. Problemy te dobrze ilustruje symbioza między wiciowcem Hatena i zielenicą Nephroselmis opisana w Science, 2005; 310. Wiciowiec Hatena będący heterotrofem po symbiozie traci cytostom i korzysta z plamki ocznej zielenicy wykazując fototaksję dodatnią. Jego zapotrzebowania pokarmowe całkowicie zabezpiecza zielenica. Natomiast zielenica znajdująca się w symbiozie traci wici i cytoszkielet oraz błony cytoplazmatyczne z wyjątkiem aparatu Golgiego. Zachowuje jądro i mitochondrium. Plastyd jej powiększa się dziesięciokrotnie i wytwarza wiele pirenoidow. U wolno żyjącej Nephroselmis występuje tylko jeden pirenoid. Po podziale wiciowca Hatena powstają dwie potomne komórki, z których jedna odziedzicza symbiotyczną zielenicę a druga wytwarza cytostom i przechodzi na heterotroficzny tryb życia.

45. W jaką symbiozę wchodzi Prochloron didemii? Dlaczego ten organizm jest tak unikalny?

• Prochloron didemni jest sinicą (bez śluzowatej otoczki) i wchodzi w obligatoryjną symbiozę z żachwami z rodziny didemnid

• (strunowce) występującymi w morzach podzwrotnikowych i tropikalnych.

• Zawierają chlorofil a i b oraz karotenoidy. Ich aparat fotosyntetyczny przypomina plastydy roślin. Posiadają tylakoidy położone w peryferyjnej cytoplazmie komórki. Dlatego naukowcy przypuszczają, że w toku ewolucji sinica ta mogła być prekursorem chloroplastów w komórkach eukariotycznych.

• Prochloron występują w tkankach żachw, głównie w jamach kloaczych (cloacal cavities) pod górną tuniką (powłoką).

• Są symbiontami pozakomórkowymi. Prochloron didemni jest obligatoryjnym sinicowym symbiontem żachwy rafy koralowej Lissoclinum patella.

• Filogenetycznie P. didemni jest blisko związany z Synechocystis spp., który odgrywa znaczną rolę w wiązaniu węgla.

• P. didemni należy do rodziny Prochlorales. Dzieli cechy fotosyntetyczne z wolnożyjącymi sinicami oraz z chloroplastami roślin.

• Prochloron didemni znajdująca się w symbiozie z żachwami prawdopodobnie produkuje wiele metabolitów.

• wtórnych. Jednym z nich jest cykliczny peptyd - patellamid. W genomie P. didemni zidentyfikowano gen biosyntezy patellamidu. Patellamidy A i C są kodowane na 1 ORF. Produktem tego genu jest peptyd prekursorowy, który po rozcięciu daje 2 cykliczne białka - patellamid A i C. Patellamid jest stosowany w leczeniu nowotworów.

46. Jak wygląda wymiana wczesnych sygnałów w symbiozach diazotroficznych sinic i roślin?

• Schemat procesu infekcji w symbiozach sinice - rośliny (wyjątek: Azolla)

• wolnożyjący Nostoc z heterocystą - HIF -> hormogonium (bez heterocysty) przemieszcza się w kierunku gospodarza pod wpływem chemoatraktantów (chemotaksja)--> rozpoznanie i zasiedlenie gospodarza - HRF -> różnicujący się Nostoc --> symbiotyczny Nostoc (wzrost liczby heterocyst)

• HIF - czynnik indukujący powstawanie hormogoniów, HRF - czynnik blokowania powstawania hormogoniów oraz chemoatraktanty pochodzą od rośliny gospodarza.

47. Jak wpływało kształtowanie się endosymbiozy na genomy partnerów?

• Endosymbioza doprowadziła do powstania z dwóch organizmów jednego. Proces ten zarówno w wypadku endosymbiozy pierwotnej jak i podwójnej był związany z poziomym transferem genów pomiędzy symbiontami. W konsekwencji zmuszało to organizm do wytworzenia mechanizmu transportu białek z powrotem do chloroplastu przez błony otaczające ten plastyd.

• Jednocześnie w komórce makrosymbionta zachodziły zmiany związane z adaptacją do przejścia z heterotroficznego odżywiania na autotroficzny. Kolejnym problemem w wytwarzającej się endosymbiozie była synchronizacja cyklów podziałów obu partnerów i segregacja potomnych komórek.

48. Na czym polegało wytworzenie się podwójnej endosymbiozy? Jakie organizmy uczestniczyły w tym procesie?

Odp w pytaniu nr 44

49. Opisz sposób odżywiania się ślimaków z rodzaju Elysia oraz Tridarchia.

CHLOROPLASTY GLONÓW JAKO ORGANELLE ŚLIMAKÓW

• Około 80% wszystkich badanych gatunków wodnych ślimaków z rzędu Saccoglossa zawiera chloroplasty glonowe.. Ślimaki zgryzają komórki roślin i wysysają ich zawartość. Szczególnie chętnie żerują na glonach z rodzajów Codium i Caulerpa. Chloroplasty i inne pozostałości komórkowe są pobierane do silnie rozgałęzionego organu trawiącego i tam pozostają aktywne nawet do trzech miesięcy.

• U ślimaka Elysia viridis wydajność fotosyntezy chloroplastów jest prawie taka sama, jak u donorowego glonu, Codium fragile. Tkanki organu trawiącego ślimaka syntetyzują czynnik stymulujący eksport z chloroplastów produktów fotosyntezy w formie glikolanu, glukozy i alaniny.

• Większość ślimaków zawiera chloroplasty zielenic, niektóre gatunki jak Limaporctia depressa, zawierają chloroplasty z Vaucheria (Xanthophyceae). U Hermaea bifida chloroplasty są pozyskiwane z krasnorostu Griffithsia flosculosa.

• Małże Tridacna to mieszkańcy rafy koralowej Oceanu Indyjskiego. Żyją oni w symbiozie z fotosyntetycznymi dinoflagellate dinofitami = grupa bruzdnic (Symbiodinium ), które zasiedlają płaszcz tuniki. Dojrzałe przydacznie prowadzą osiadły tryb życia. W dzień, małże rozciągają swój płaszcz tak, aby dinofity otrzymywały światło słoneczne , którego potrzebują do fotosyntezy, podczas gdy pigmenty chronią małża przed nadmiernym światłem i promieniowaniem ultrafioletowym. Większość substancji odżywczych (70-100%) przydaczni pochodzi od dinofitów, a reszta z rozpuszczonej w wodzie materii organicznej (Filter_feeding).

50. Wskaż podobieństwa i różnice w symbiozie glonów z gospodarzami z rodzajów Tridacna i Elysia.
    

Tridacnia	Elysia
Większość substancji odżywczych (70-100%) przydaczni pochodzi od dinofitów, a reszta z rozpuszczonej w wodzie materii organicznej (Filter_feeding).	Ślimaki zgryzają komórki roślin i wysysają ich zawartość.
Symbiont zwykle występuje tylko w jednej tkance. Młode mięśnie zawierają około 10 zooksantelli na 1 6g tkanki, większe mięśnie tylko 2-3 zooksantelle.	Chloroplasty i inne pozostałości komórkowe są pobierane do silnie rozgałęzionego organu trawiącego i tam pozostają aktywne nawet do trzech miesięcy.
Symbiodinium przekazuje gospodarzowi 20-60% węgla związanego w fotosyntezie w formie glicerolu i małych ilości glukozy i alaniny.	Tkanki organu trawiącego ślimaka syntetyzują czynnik stymulujący eksport z chloroplastów produktów fotosyntezy w formie glikolanu, glukozy i alaniny.

51. Jaką rolę odgrywają szczepy Symbiodinium w budowaniu rafy koralowej.

• Symbiodinium przekazuje gospodarzowi do 95% węgla związanego w fotosyntezie w formie glicerolu i małych ilości glukozy i alaniny.

• U ukwiałów do 100% zapotrzebowania energetycznego gospodarza może być zaspokojone przez symbiotyczne glony.

• W symbiozie tej najważniejsze jest współdziałanie metabolizmu symbiotycznego z metabolizmem związanym z tworzeniem szkieletu wapiennego, a przez to z budowaniem samej rafy koralowej. Wzrost rafy jest 3-10 razy szybszy na świetle niż w ciemności.

• Wytwarzanie szkieletu wapiennego:

• Jony Ca²⁺ , znajdujące się w wodzie morskiej, wtłaczane są do przestrzeni za pomocą ATPazy zależnej od Ca²⁺; energia do działania ATPazy pochodzi z zooksantelli.

• Ca²⁺ + 2HCO₃^- →Ca(HCO₃)₂→CaCO₃↓ (szkielet koralowca w postaci argonitu) + H₂CO₃→CO₂ (wykorzystywany przez zooksantelle)+ H₂O

• Symbionty koralowców są ogólnie zwane zooksantellami. Są podzielone na dwie grupy:

• 1 - szczepy Symbiodinium

• 2 - szczepy Amphidinium

• Obecnie przyjmujemy, że zooksantelle wchodzące w symbiozę z koralami należą do gatunku Symbiodinium microadriaticum.

• Symbioza zooksantelli z koralami związana jest z tworzeniem wapniowych szkieletów korali.

• Zarówno jony węglanowe jak i jony wapnia znajdują się w wystarczającej ilości w wodach morskich. O ile jednak jony węglanowe swobodnie dyfundują do ciała koralowca to jony wapniowe muszą być czynnie pobrane z wody morskiej. Uczestniczy w tym ATPaza zależna od wapnia, będąca białkiem błonowym i osadzona na błonach komórek koralowca. Wymaga ona dopływu energii do swego działania. W ten sposób jony wapnia przetransportowane do cenosarku (przestrzeni, w której narasta szkielet wapniowy otoczonej tkankami polipów) w obecności jonów kwaśnowęglanowych tworzą kwaśny węglan wapnia i ten z kolei przechodzi w węglan wapnia. Węglan wapnia wypada z roztworu osadzając się na drobinach innych substancji wydzielanych przez koralowce i w ten sposób powstaje szkielecik wapienny. Kwas węglowy powstający w tej reakcji jest nietrwały, rozpada się na dwutlenek węgla i wodę. Dwutlenek węgla zostaje zużytkowany przez zooksantelle w procesie fotosyntezy, co przyczynia się do zwiększenia wydajności reakcji leżącej u podstawy tworzenia szkieletu koralowca. Jednocześnie transportując jony wapnia w jednym kierunku ATPaza transportuje protony w przeciwnym. Powoduje to zakwaszenie protoplastów komórek koralowca. Zakwaszenie to hamuje działanie ATPazy. Jednak ze względu na obecność jonów węglanowych pochodzących z wody morskiej wytwarza się równowaga chemiczna między dysocjowanym kwasem węglowym i dwutlenkiem węgla. Zooksantelle odbierając dwutlenek węgla z komórek koralowca powodują podwyższenie pH komórek. Tak więc przyjmuje się, że symbioza koralowców z zooksantellami jest czynnikiem niezbędnym do wytwarzania szkieletu wapniowego koralowców i co za tym idzie do powstawania rafy koralowej.

• Symbiodinium przekazuje gospodarzowi 20-60% węgla związanego w fotosyntezie w formie glicerolu i małych ilości glukozy i alaniny.

52. Porównaj symbiozy Azolla i Gunnera z sinicami

Azolla	Gunnera
symbioza wewnętrzna	symbioza wewnętrzna
zewnątrzkomórkowa w kawernach na liściach wypełnionych śluzem i otoczonych kom. niefotosyntetyzującymi	wewnątrzkomórkowa w gruczołach powstających u nasady liści, z wytworzeniem symbiosomów
obligatoryjna	obligatoryjna
Mikrosymbiont Nostoc przekazywany jest do zygoty poprzez makrosporokarp i rodnie w postaci akinet.	Sposób infekcji: Szczytowe komórki gruczołów podlegają lizie, tworząc większe pory wypełnione śluzem. Kilka komórek mikrosymbionta dokonuje inwazji poprzez pory gruczołów. U innych gatunków Gunnera infekcja następuje poprzez specyficzne papille. Symbionty wchodzą do cienkościennych komórek merystematycznych u podstawy papilli, a wchodząc - zostają zamknięte wewnątrz pęcherzyka błony pochodzącej z błony komórkowej gospodarza (analogia do błony symbiosomu w symbiozie Rhizobium-motylkowate). Sinice dzielą się wewnątrz pęcherzyków i różnicują w heterocysty.
Kawerna powstaje wskutek zarastania przez epidermę zagłębienia w liściu.	Gruczoł powstaje poprzez podziały komórek zainfekwanych. Wokół komórek zainfekowanych strefa komórek granicznych połączonych plasmodesmami. Otaczające gruczoł komórki łodygi zawierają ziarna skrobi oraz taniny
Sinice transportują N2 w postaci NH4	Sinice transportują N2 w postaci NH4

Pytania dodatkowe

Co to jest nukleomorf i u jakich glonów występuje

Nukleomorf - organellum komórkowe przypominające jądro komórkowe występujące w chloroplastach niektórych glonów. Nukleomorf odkryto u dwóch grup fotosyntetyzujących protistów - Chlorachniophyta i Cryptophyta. Zawierają jedne z najmniejszych eukariotycznych genomów (minimalnie 380 kpz, u innych gatunków ok. 500-600 kpz, trzy liniowe chromosomy) z bardzo krótkimi intronami. Nukleomorf wraz z organellami przypominającymi rybosomy znajduje się w przestrzeni peryplastydowej między dwiema błonami otaczającymi właściwą część chloroplastu a kolejnymi dwiema błonami oddzielającymi ją od cytoplazmy komórki. Uważa się, że jest to świadectwo wtórnej endosymbiozy, która dała początek kilku liniom ewolucyjnym protistów roślinopodobnych. Dwie najbardziej wewnętrzne błony są wg tej hipotezy homologiczne z błonami chloroplastów roślin, a pierwotnie - z błonami sinic, które w pierwotnej endosymbiozie dały im początek. Błona trzecia jest pozostałością błony komórkowej wtórnego endosymbionta, a czwarta pęcherzyka fagocytotycznego. Mimo pewnych podobieństw, najprawdopodobniej nukleomorfy (i całe chloroplasty) Chlorachniophyta i Cryptophytamają odrębne pochodzenie. W przypadku Chlorachniophyta endosymbiontem była zapewne pierwotna zielenica, w przypadku Cryptophyta - pierwotny krasnorost. Prawdopodobnie u początków tej endosymbiozy było wchłonięcie przez pierwotnego pierwotniaka pierwotnego glona. Obecnie takie układy są spotykane, a żyjące wewnątrz pierwotnie heterotroficznych organizmów glony określa się - w zależności od przynależności systematycznej - jako zoochlorelle, zooksantelle lub cyjanelle. Następnie geny endosymbionta w większości przeszły do jądra komórkowego gospodarza. Obecnie geny nukleomorfu kodują białka potrzebne niemal wyłącznie do jego replikacji i małą liczbę białek wykorzystywanych przez chloroplast .

Możliwe, że nukleomorfy istniały również u innych glonów, u których przypuszcza się, że zaszła wtórna (a może też trzeciorzędowa) endosymbioza - stramenopile, bruzdnice, eugleniny i in.

1. Rozmnażanie porostów, budowa owocników grzybów porostowych

Rozmnażanie porostów - wegetatywne:

- fragmentacja plechy;

- izydia (wyrostki)-mają postać brodaweczek o różnych kształtach.Zwykle zwężone u nasady. Mogą być pojedyncze lub rozgałęzione. Tworzą się na powierzchni plechy. Otoczone są warstwą korową, wewnątrz znajdują się komórki glonu i strzępki grzyba

- urwistki (sorelia)- wyglądają jak proszek jaśniejszy od powierzchni.Zbudowane są z kilku komórek glonu oplecionych strzępkami grzyba.Tworzą się wewnątrz plechy. Na zewnątrz wydostają się w miejscach zwanych soraliami. Kształt, rozmieszczenie, barwa soraliów są ważną cechą diagnostyczną. Wróżniami soralia wargowe (odwinięte), główkowate, szczelinowe, brzeżne, brodawkowate i inne.

Rozmnażanie generatywne

Workowce wytwarzają owocniki typu otoczni lub miseczki

a) perytecja (otocznia)- owocnia o hymenium całkowicie zamkniętym w obrębie ścianki ekscypulum, otwierający się na szczycie maleńkim otworkiem- ostiolum. Może mieć kształt kulisty, półkulisty, dzbanuszkowaty lub stożkowaty. W perytecjum znajduje się:

• ostiolum- kropeczkowaty na szczycie perytecjum

• ekscypulum- ścianka zamykająca hymenium ze wszystkich stron

• egzotecjum- zewnętrzna,wyrastająca z plechy lub podłoża część owocnika typu perytecjum

• inwolukrelum- okrywa leżąca na ekscypulum, zrośnięta z nim lub oddzielona

• perifizy- krótkie, skierowane w dół strzępki grzyba w pobliżu ostiolum, częściowo je zamykające

• parafiny- wstawki

b) apotecjum (miseczka)o otwartej warstwie rodzajnej, kształtu kolistego, kanciastego, nieregularnego, kreseczkowatego, gwiazdkowato lub widełkowato rozgałęzione. Może być zagłębione w plesze, siedzące lub wyniesione. Dwa typy:

- lecideowe- na obrzeżu owocnika jest brzeżek własny, ze zbitych strzępek, nie ma glonów;

- lekanorowe- brzeżek własny bardzo cienki a jest jeszcze brzeżek plechowy z glonów.

W apotecjum znajdują się:

• brzeżek własny- nie zawierający glonów

• brzeżek plechowy- tylko u apotecjum lekanorowym, zawierający glony

• hymenium- warstwa rodzajna

• epitecjum- warstewka pokrywająca hymenium w owocnikach

• hypotecjum- w apotecjum w formie warstwy, gęsto splecionych strzępek grzyba na której leży hymenium i subhymenium. Może być bezbarwne lub zabarwione

• subhymenium- w apotecjum najniższa warstwa hymenium, zwykle różni się od niego strukturą i niekiedy barwą

Zarodniki - wytwarzane przez workowce:

- różne pod względem kształtu, wielkości, ilości (np. 1-dno lub 2- komórkowe); ułożone liniowo lub murkowato; zwykle po 8 zarodników w worku ale nawet i 100 lub 200.

2. Rozmnażanie porostów, budowa owocników grzybów porostowych

Rozmnażanie porostów - wegetatywne:

- fragmentacja plechy;

- izydia (wyrostki)-mają postać brodaweczek o różnych kształtach.Zwykle zwężone u nasady. Mogą być pojedyncze lub rozgałęzione. Tworzą się na powierzchni plechy. Otoczone są warstwą korową, wewnątrz znajdują się komórki glonu i strzępki grzyba

- urwistki (sorelia)- wyglądają jak proszek jaśniejszy od powierzchni.Zbudowane są z kilku komórek glonu oplecionych strzępkami grzyba.Tworzą się wewnątrz plechy. Na zewnątrz wydostają się w miejscach zwanych soraliami. Kształt, rozmieszczenie, barwa soraliów są ważną cechą diagnostyczną. Wróżniami soralia wargowe (odwinięte), główkowate, szczelinowe, brzeżne, brodawkowate i inne.

Rozmnażanie generatywne

Workowce wytwarzają owocniki typu otoczni lub miseczki

a) perytecja (otocznia)- owocnia o hymenium całkowicie zamkniętym w obrębie ścianki ekscypulum, otwierający się na szczycie maleńkim otworkiem- ostiolum. Może mieć kształt kulisty, półkulisty, dzbanuszkowaty lub stożkowaty. W perytecjum znajduje się:

• ostiolum- kropeczkowaty na szczycie perytecjum

• ekscypulum- ścianka zamykająca hymenium ze wszystkich stron

• egzotecjum- zewnętrzna,wyrastająca z plechy lub podłoża część owocnika typu perytecjum

• inwolukrelum- okrywa leżąca na ekscypulum, zrośnięta z nim lub oddzielona

• perifizy- krótkie, skierowane w dół strzępki grzyba w pobliżu ostiolum, częściowo je zamykające

• parafiny- wstawki

b) apotecjum (miseczka)o otwartej warstwie rodzajnej, kształtu kolistego, kanciastego, nieregularnego, kreseczkowatego, gwiazdkowato lub widełkowato rozgałęzione. Może być zagłębione w plesze, siedzące lub wyniesione. Dwa typy:

- lecideowe- na obrzeżu owocnika jest brzeżek własny, ze zbitych strzępek, nie ma glonów;

- lekanorowe- brzeżek własny bardzo cienki a jest jeszcze brzeżek plechowy z glonów.

W apotecjum znajdują się:

• brzeżek własny- nie zawierający glonów

• brzeżek plechowy- tylko u apotecjum lekanorowym, zawierający glony

• hymenium- warstwa rodzajna

• epitecjum- warstewka pokrywająca hymenium w owocnikach

• hypotecjum- w apotecjum w formie warstwy, gęsto splecionych strzępek grzyba na której leży hymenium i subhymenium. Może być bezbarwne lub zabarwione

• subhymenium- w apotecjum najniższa warstwa hymenium, zwykle różni się od niego strukturą i niekiedy barwą

Zarodniki - wytwarzane przez workowce:

- różne pod względem kształtu, wielkości, ilości (np. 1-dno lub 2- komórkowe); ułożone liniowo lub murkowato; zwykle po 8 zarodników w worku ale nawet i 100 lub 200.

1 Scharakteryzuj symbiozę Dinofity - koralowce

Symbioza koralowców budujących rafę z zooksantellami jednokomórkowymi glonami z klasy Dinofity.

Zwykle koralowce wykazujące symbiozę nie radzą sobie bez swojego symbionta.

Cykle życiowe obydwu symbiontów nie są ze sobą skorelowane. (nie ma jeszcze symbiozy w zarodkach). Infekcja zooksantellami następuje po pobraniu komórek wolno pływających przez otwór gębowy korala. Następnie tworzy się symbiosom w którym zooksantella odgrodzona jest błoną od korala. Zooksantelle w ciele Krala są w formie kokalnej, nie posiadają wici. Koral kontroluje ilość zooksantelli w nim występującą.

Koralowic (heterotrof) otrzymuje od zooksantelli (autotrofy) glukozę, alaninę i glicynę, kwasy tłuszczowe. Koralowce zapewniają symbiontowi bezpieczne miejsce do życia, co2, związki fosforu i azotu.

Zooksantelle uczestniczą w tworzeniu szkieletu niezbędnego do życia korala.

Symbioza ta jest wrażliwa na UV oraz temperaturę.

2 Czynniki wpływające na rozwój kolonii sinic

• Tworzenie hormogoniów,

• Chemotaksja,

• Przystosowanie do warunków życia gospodarza,

• Formowanie heterocyst,

• Wiązanie azotu,

• Odbieranie i wysyłanie sygnałów od i do gospodarza,

• Unikanie, zmniejszenie lub przezwyciężenie odpowiedzi obronnej gospodarza.

nitrogenaza

GS

N₂aza

---