Эктомикориза (от греч. ἐκτός ektos , «снаружи», μύκης mykes , « гриб», и ῥίζα rhiza , «корень»; мн. ч. ectomycorrhizas или ectomycorrhizae , сокращенно EcM ) — это форма симбиотических отношений , которая возникает между грибковым симбионтом , или микобионтом , и корнями различных видов растений . Микобионт часто относится к типам Basidiomycota и Ascomycota , реже — к Zygomycota . [1] Эктомикоризы образуются на корнях около 2% видов растений, [1] обычно древесных растений , включая виды из семейств березовых , диптерокарповых , миртовых , буковых , ивовых , сосновых и розовых . [2] Исследования эктомикориз становятся все более важными в таких областях, как управление и восстановление экосистем , лесное и сельское хозяйство .
В отличие от других микоризных отношений, таких как арбускулярная микориза и эрикоидная микориза , эктомикоризные грибы не проникают в клеточные стенки хозяина . Вместо этого они образуют полностью межклеточный интерфейс, известный как сеть Хартига , состоящий из сильно разветвленных гиф, образующих решетку между эпидермальными и кортикальными клетками корня.
Эктомикоризы дополнительно отличаются от других микориз образованием плотной гифальной оболочки, известной как мантия, окружающей поверхность корня. [3] Эта оболочка может быть толщиной до 40 мкм , а гифы простираются на несколько сантиметров в окружающую почву. Гифальная сеть помогает растению усваивать питательные вещества, включая воду и минералы, часто помогая растению-хозяину выживать в неблагоприятных условиях. [2] Взамен грибной симбионт получает доступ к углеводам.
Хотя образцы эктомикоризы обычно берутся из поверхностного горизонта из-за более высокой плотности корней, известно, что эктомикориза встречается в глубоких корнях деревьев (на глубине более 2 метров), а некоторые из них встречаются на глубине не менее 4 метров. [4]
К хорошо известным плодовым телам грибов EcM относятся экономически важный и съедобный трюфель ( Tuber ), а также смертоносные бледные поганки и мухоморы ( Amanita ).
Микоризные симбиозы повсеместно распространены в наземных экосистемах , и возможно, что эти ассоциации способствовали колонизации суши растениями. Существуют палеобиологические и молекулярные доказательства того, что арбускулярные микоризы (АМ) возникли по крайней мере 460 миллионов лет назад. [5]
Растения и грибы EcM демонстрируют широкое таксономическое распространение на всех континентах (кроме Антарктиды), что позволяет предположить, что симбиоз EcM имеет древние эволюционные корни. [1] Pinaceae — старейшее из сохранившихся семейств растений, в которых происходит симбиоз с грибами EcM, [6] и ископаемые останки этого семейства датируются 156 миллионами лет назад. [7]
Было высказано предположение, что тип среды обитания и различные функции различных микориз помогают определить, какой тип симбиоза преобладает в данной области. [8] Согласно этой теории, симбиозы EcM развились в экосистемах, таких как бореальные леса , которые относительно продуктивны, но в которых круговорот питательных веществ все еще ограничен. Эктомикоризы занимают промежуточное положение в своей способности поглощать питательные вещества, будучи более эффективными, чем арбускулярные микоризы , и менее эффективными, чем эрикоидные микоризы , что делает их полезными в промежуточной ситуации с питательными веществами.
Грибы состоят из мягких тканей , что затрудняет окаменение и делает обнаружение грибковых ископаемых редким. Тем не менее, некоторые прекрасно сохранившиеся образцы были обнаружены в среднем эоцене Принстонского кремня в Британской Колумбии . Эти эктомикоризные окаменелости демонстрируют четкие доказательства наличия сети Хартига , мантии и гиф , демонстрируя хорошо установленные ассоциации EcM по крайней мере 50 миллионов лет назад. [7]
Ископаемая летопись показывает, что более распространенные арбускулярные микоризы сформировались задолго до других типов симбиозов грибов и растений. [5] [9] [10] Эктомикоризы могли эволюционировать с диверсификацией растений и эволюцией хвойных и покрытосеменных . Таким образом, арбускулярные микоризы могли быть движущей силой в колонизации суши растениями, в то время как эктомикоризы могли возникнуть либо в ответ на дальнейшее видообразование , поскольку климат Земли стал более сезонным и засушливым, либо, возможно, просто в ответ на дефицит питательных веществ в местах обитания. [10] [11]
Молекулярный и филогенетический анализ грибковых линий показывает, что грибы EcM эволюционировали и сохранялись много раз от не-EcM предков, таких как гумусовые и древесные сапротрофные грибы. [1] Оценки варьируются от 7–16 [6] [12] [13] до ~66 независимых эволюций ассоциаций EcM. [1] Некоторые исследования показывают, что происходили возвраты к предковому свободному состоянию, [12] но это спорно. [6] [10] [13]
Как следует из названия, биомасса микосимбионта в основном находится снаружи корня растения. Структура гриба состоит в основном из трех частей: 1) внутрикорневых гиф, образующих сеть Хартига ; 2) мантии, которая образует оболочку, окружающую кончик корня; и 3) внекорневых гиф и связанных с ними структур, которые распространяются по всей почве.
Сеть Хартига образуется путем врастания гиф (часто происходящих из внутренней части окружающей мантии) в корень растения-хозяина. Гифы проникают и растут в поперечном направлении к оси корня, [14] и таким образом образуют сеть между внешними клетками оси корня. В этой области соприкасаются грибковые и корневые клетки, и именно здесь происходит обмен питательными веществами и углеродом . [15]
Глубина проникновения различается между видами. У Eucalyptus и Alnus сеть Хартига ограничена эпидермисом , тогда как у большинства голосеменных гифы проникают глубже, в корковые клетки или эндодерму . [2] Во многих эпидермальных типах происходит удлинение клеток вдоль эпидермиса, что увеличивает поверхностный контакт между грибом и корневыми клетками. Большинство корковых сетей Хартига не показывают этого удлинения, что предполагает различные стратегии увеличения поверхностного контакта между видами. [2]
Гифальная оболочка, известная как мантия, которая часто имеет большую биомассу, чем интерфейс сети Хартига, охватывает корень. Структура мантии изменчива, варьируясь от рыхлой сети гиф до структурированного и стратифицированного расположения ткани. Часто эти слои напоминают ткань паренхимы растения и называются псевдопаренхиматозными . [15]
Поскольку корень окутан мантией, он часто страдает в плане развития . Грибковые партнеры EcM характерно подавляют развитие корневых волосков своего растительного симбионта. [15] Они также могут увеличивать ветвление корней, вызывая цитокинины в растении. [16] Эти модели ветвления могут стать настолько обширными, что одна консолидированная мантия может окутать множество кончиков корней одновременно. Такие структуры называются бугорчатыми или кораллоидными эктомикоризами. [15]
Мантии различных пар EcM часто демонстрируют характерные черты , такие как цвет, степень разветвленности и степень сложности, которые используются для идентификации гриба, часто в сочетании с молекулярным анализом . [15] Плодовые тела также полезны, но не всегда доступны. [2]
Внекорневые гифы простираются наружу из мантии в почву , компенсируя подавление корневых волосков за счет увеличения эффективной площади поверхности колонизированного корня. Эти гифы могут распространяться по отдельности или в агрегатном расположении, известном как ризоморф . Эти составные гифальные органы могут иметь широкий спектр структур. Некоторые ризоморфы представляют собой просто параллельные линейные скопления гиф. Другие имеют более сложную организацию, например, центральная гифа может быть больше в диаметре, чем другие гифы, или гифы могут непрерывно расти на кончике, проникая в новые области таким образом, что внешне напоминает меристематическую активность. [2]
Эта часть эктомикоризы, которая называется внекорневым или внематричным мицелием , в основном функционирует как транспортная структура . Они часто распространяются на значительные расстояния, сохраняя большую площадь контакта с почвой. [17] Некоторые исследования показали связь между скоростью транспорта питательных веществ и степенью организации ризоморфов. [2] [18] Ризоморфы разных типов EcM часто имеют разные типы организации и стратегии исследования, наблюдаемые как разная структура и рост в почве. [17] Эти различия также помогают идентифицировать симбиотический гриб.
Гифы, простирающиеся наружу в почву от эктомикоризы, могут заражать другие близлежащие растения. Эксперименты и полевые исследования показывают, что это может привести к образованию общих микоризных сетей (CMN), которые позволяют делиться углеродом и питательными веществами между связанными растениями-хозяевами. [19] [20] [21] Например, редкий изотоп углерода-14 был добавлен к определенному дереву и позже обнаружен в близлежащих растениях и саженцах. [22] В одном исследовании наблюдался двунаправленный перенос углерода между Betula papyrifera и Pseudotsuga menziesii , в основном через гифы эктомикоризы. [23] Однако не все растения совместимы со всеми грибковыми сетями, поэтому не все растения могут использовать преимущества установленных эктомикоризных связей. [22]
Предполагается, что общая питательная связь через CMNs связана с другими экологическими процессами, такими как укоренение сеянцев, сукцессия леса и другие взаимодействия растений. Было показано, что некоторые арбускулярные микоризы несут сигналы, предупреждающие растения в сети об атаке насекомых или болезней. [24] [25]
В отличие от большинства арбускулярных микоризных грибов, грибы EcM размножаются половым путем и производят видимые плодовые тела в самых разных формах. [1] Плодовое тело, или спорокарпий, можно рассматривать как расширение внекорневых гиф . Его клеточные стенки и споры обычно состоят из сложных углеводов и часто включают большое количество азота . [26] Многие грибы EcM могут образовывать плодовые тела и завершать свои жизненные циклы , только участвуя в отношениях EcM.
Плодовые тела многих видов принимают классические, хорошо узнаваемые формы, такие как эпигейные грибы и подземные трюфели . Большинство из них производят микроскопические пропагулы размером около 10 мкм, которые могут распространяться на большие расстояния с помощью различных переносчиков , от ветра до микофагов . [27] Было высказано предположение, что животные тянутся к подземным плодовым телам, потому что они богаты питательными веществами, такими как азот, фосфор, минералы и витамины. [15] Однако другие утверждают, что конкретные питательные вещества менее важны, чем доступность пищи в определенное время года. [26]
Обследования плодовых тел использовались для оценки состава и богатства сообщества во многих исследованиях. Однако этот метод несовершенен, поскольку плодовые тела не сохраняются долго и их трудно обнаружить. [28]
Чтобы сформировать эктомикоризную связь, гифы гриба должны сначала прорасти к корням растения. Затем они должны окутать и проникнуть в клетки корневого чехлика и заразить их, что позволит сформировать симбиотическую сеть Хартига и связанные с ней структуры. Оба партнера (растение и гриб) должны следовать точной последовательности экспрессии генов , чтобы это было успешным. Есть доказательства того, что связь между партнерами на ранней стадии эктомикоризы в некоторых случаях происходит через летучие органические соединения, вырабатываемые только во время фазы взаимодействия, [29] и что гены, участвующие в секреторном , апикальном росте и процессах инфицирования, показывают изменения в экспрессии на ранней стадии фазы до контакта. [30] Таким образом, сложный набор молекулярных изменений, по-видимому, происходит еще до того, как гриб и растение-хозяин вступают в контакт.
Растения-хозяева выделяют метаболиты в ризосферу , которые могут вызвать прорастание базидиоспор , рост гиф по направлению к корню и ранние этапы формирования EcM. [31] К ним относятся флавоноиды , дитерпены , цитокинины , гормоны и другие питательные вещества. Было показано, что некоторые выделяемые хозяином метаболиты стимулируют рост грибка в Pisolithus , изменяют угол ветвления гиф и вызывают другие изменения в грибке. [31] Некоторые гены грибка, по-видимому, экспрессируются до контакта с растением, что позволяет предположить, что сигналы в почве могут индуцировать важные гены грибка на расстоянии от растения. [31]
Как только грибковые гифы вступают в контакт с клетками корневого чехлика , они должны продолжать расти внутрь эпидермальных клеток и размножаться, чтобы сформировать слои, которые в конечном итоге произведут мантию. Производство грибковой мантии включает в себя регуляцию генов, ответственных за трансляцию и рост клеток , а также генов, ответственных за синтез и функционирование мембраны , таких как гидрофобины . [32] Некоторые полипептиды обнаруживаются только тогда, когда гриб и растение достигли симбиоза; эти белки, связанные с симбиозом (SR), называются эктомикоризинами. [33]
Основные изменения в синтезе полипептидов и мРНК происходят быстро после колонизации грибом, включая выработку эктомикоризинов. [2] [34] Изменения включают в себя повышение регуляции генов, которые могут помочь формировать новые мембраны на симбиотическом интерфейсе. [35] Влияние мантии на пролиферацию корней, развитие корневых волосков и дихотомическое ветвление может быть частично имитировано грибковыми экссудатами, что обеспечивает путь к идентификации молекул, ответственных за коммуникацию. [31]
Сеть Хартига изначально формируется из полностью дифференцированного внутреннего слоя мантии, и проникновение происходит широким фронтом, ориентированным под прямым углом к оси корня, [14] переваривая через апопластное пространство . Некоторые растительные клетки реагируют, вырабатывая белки, связанные со стрессом и защитой, включая хитиназы и пероксидазы , которые могут ингибировать образование сети Хартига. [2] [31] Однако обширная колонизация корней все еще происходит у этих растений, и эти признаки устойчивости, по-видимому, уменьшаются примерно на 21-й день после колонизации, что подразумевает, что грибы EcM могут подавлять защитную реакцию. [2]
По мере того, как гриб и растение становятся тесно связанными, они начинают делиться питательными веществами. Этот процесс также контролируется генами, связанными с симбиозом. Например, поглощение моносахаридов в Amanita muscaria требует транспортера , который экспрессируется только тогда, когда он находится в микоризной ассоциации. Когда транспортер экспрессируется, что приводит к увеличению импорта сахара грибом, растение-хозяин реагирует увеличением доступности сахара. Транспорт аммония и аминокислот от гриба к растению также регулируется. [32] [35]
Азот необходим в биохимии растений , он необходим для хлорофилла и всех белков. В большинстве наземных экосистем азота не хватает, и он секвестрируется в органическом веществе, которое трудно разложить. Таким образом, грибковые симбионты предлагают растениям два преимущества: больший диапазон их гиф по сравнению с корнями и большую способность извлекать азот из слоя почвы, в котором находится органическое вещество . [15] [36] Чистый перенос питательных веществ к растениям требует, чтобы питательное вещество пересекало три интерфейса: 1) интерфейс почва-гриб, 2) интерфейс гриб- апопласт и 3) интерфейс апопласт-корень. [36] Было подсчитано, что эктомикоризные грибы получают приблизительно 15% пищевого продукта растения-хозяина и взамен обеспечивают до 86% потребностей хозяина в азоте. [27]
Некоторые исследования показали, что если из-за использования человеком удобрений доступно слишком много азота, растения могут перенаправить свои ресурсы из грибковой сети. [37] [38] Это может создать проблемы для грибка, который может быть неспособен производить плодовые тела, [37] и в долгосрочной перспективе может вызвать изменения в типах грибковых видов, присутствующих в почве. [39] В одном исследовании видовое богатство резко снизилось с увеличением поступления азота, при этом более 30 видов были представлены на участках с низким содержанием азота и только 9 на участках с высоким содержанием азота. [40]
По мере того, как гифы области сети Хартига становятся более плотно упакованными, они давят на клеточные стенки клеток корня растения. Часто клеточные стенки гриба и растения становятся почти неразличимыми там, где они встречаются, что облегчает обмен питательными веществами. [41] Во многих эктомикоризах гифы сети Хартига не имеют внутренних делений, создавая многоядерную структуру, похожую на клетку переноса , которая облегчает межгифальный транспорт. [36] Гифы имеют высокую концентрацию органелл, ответственных за выработку энергии и белка ( митохондрии и шероховатый эндоплазматический ретикулум ) на своих кончиках. [42] Есть признаки того, что транспортеры как в грибковых, так и в растительных плазменных мембранах активны, что предполагает двунаправленный обмен питательными веществами. [41]
Структура сети EcM зависит от доступности питательных веществ. Когда доступность питательных веществ низкая, инвестиции в подземную сеть высоки по сравнению с надземным ростом. [43] Фосфор является еще одним типично ограничивающим питательным веществом во многих наземных экосистемах. Данные свидетельствуют о том, что фосфор в основном переносится в виде ортофосфата . [41] Некоторые эктомикоризы, образующие маты, содержат рибонуклеазы, способные быстро расщеплять ДНК для получения фосфора из ядер . [36]
Внекорневые гифы, особенно ризоморфы, также могут обеспечивать бесценный транспорт воды. Часто они развиваются в специализированные побеги, которые простираются далеко от корней хозяина, увеличивая функциональную область доступа к воде. [44] [45] Гифальная оболочка, охватывающая кончики корней, также действует как физический барьер, защищающий ткани растения от патогенов и хищников. Также есть доказательства того, что вторичные метаболиты , вырабатываемые грибами, действуют как биохимические защитные механизмы против патогенных грибов, нематод и бактерий, которые могут попытаться заразить микоризный корень. [15] [46] Многие исследования также показывают, что грибы EcM позволяют растениям переносить почвы с высокой концентрацией тяжелых металлов , [47] [48] [49] солей , [50] [51] радионуклидов и органических загрязнителей . [15]
Хотя сеть Хартига формируется вне клеток корня, иногда происходит проникновение в клетки коры растения. Многие виды эктомикоризных грибов могут функционировать либо как эктомикоризы, либо в проникающем режиме, типичном для арбускулярных микориз , в зависимости от хозяина. Поскольку эти ассоциации представляют собой форму симбиоза между арбускулярными микоризами и эктомикоризами, их называют эктендомикоризами. [52]
Эктомикоризные грибы встречаются в бореальных , умеренных и тропических экосистемах, в первую очередь среди доминирующих семейств, производящих древесные растения. [27] Многие из семейств грибов, распространенных в лесах умеренного климата (например, Russulaceae , Boletaceae , Thelephoraceae ), также широко распространены в Южном полушарии и тропических диптерокарповых лесах: хотя семейства растений в умеренных и тропических лесах довольно различны, эктомикоризные грибы довольно похожи. [53] Типы грибов EcM зависят от типов почв как в полевых условиях [54] [55] , так и в лабораторных условиях. [56] [57]
Для большинства типов растений и животных видовое разнообразие увеличивается по направлению к экватору. Это называется широтным градиентом разнообразия (LGD). [58] Напротив, есть доказательства того, что грибы EcM могут быть максимально разнообразны в умеренной зоне . [27] [59] Если это так, то это можно объяснить одной или несколькими из следующих гипотез: 1) грибы EcM могли эволюционировать в более высоких широтах с хозяевами Pinaceae и быть менее способными конкурировать в тропическом климате ; 2) растения, которые EcM используют в качестве хозяев, могут быть более разнообразными в умеренных условиях, а структура почвы в умеренных регионах может способствовать более высокой дифференциации ниш и накоплению видов; и 3) тропические хозяева EcM распространены более редко на небольших изолированных лесных островах, что может сократить размеры популяции и разнообразие грибов EcM. [59]
Большинство хозяев EcM демонстрируют низкий уровень специфичности и могут образовывать симбиозы со многими отдаленно родственными грибами. [60] Это может иметь эволюционные преимущества для растения двумя способами: 1) сеянцы растения с большей вероятностью смогут образовывать микоризу в широком спектре местообитаний; и 2) растение может использовать различные грибы, которые различаются по своей способности получать доступ к питательным веществам. [61]
Грибы EcM демонстрируют различные уровни специфичности в отношении своих растений-хозяев, а затраты и выгоды от их специализации не совсем понятны. [62] [63] [64] Например, группа суиллоидных, монофилетическая группа, включающая роды Suillus , Rhizopogon , Gomphidius и другие, демонстрирует чрезвычайную степень специфичности, причем почти все ее члены образуют эктомикоризы с представителями семейства Pinaceae . [61] Однако многие другие группы грибов демонстрируют очень широкий круг хозяев. [65] [66]
Растения-хозяева, которые таксономически связаны, имеют более схожие сообщества грибов EcM, чем таксоны, которые связаны более отдаленно. [67] Аналогичным образом, молекулярно-филогенетические исследования показали, что грибы, происходящие от общего предка, с большей вероятностью будут иметь хозяев, которые таксономически связаны. [12] [68] Зрелость среды хозяина или статус сукцессии также могут влиять на разнообразие присутствующих сообществ грибов EcM. [67] Другие косвенные факторы также могут играть роль в сообществе грибов EcM, такие как опадание листьев и качество подстилки, которые влияют на уровень кальция и pH почвы . [69]
Растения, не являющиеся местными для данной местности, часто нуждаются в микоризных симбионтах для процветания. Подавляющее большинство арбускулярных микориз неспецифичны, и поэтому растения, которые взаимодействуют с этими микоризами, часто быстро и легко становятся инвазивными . Однако эктомикоризные симбиозы часто относительно специфичны. В экзотическом лесном хозяйстве совместимые грибы EcM часто вводятся в чужеродный ландшафт, чтобы обеспечить успех лесных плантаций . [70] Это наиболее распространено у эвкалиптов и сосен , которые являются облигатными эктомикоризными деревьями в естественных условиях. [70] По этой причине сосны было трудно установить в южном полушарии, [71] и многим эвкалиптовым плантациям требовалась инокуляция грибами EcM из их родного ландшафта. В обоих случаях, как только были введены сети EcM, деревья смогли натурализоваться, а затем начали конкурировать с местными растениями. [70]
Однако многие виды EcM ко-вторяются без помощи человека. Семейство Pinaceae часто вторгается в места обитания вместе со специфическими грибами EcM из родов Suillus и Rhizopogon . [62] Существуют также грибы, образующие эктомикоризу, с космополитным распространением , которые могут позволить неместным видам растений распространяться при отсутствии их специфических грибов EcM из местной экосистемы. [62]
Растения могут конкурировать, атакуя грибковые сети друг друга. Доминирующие местные растения могут подавлять грибы EcM на корнях соседних растений, [72] а некоторые инвазивные растения могут подавлять рост местных эктомикоризных грибов, особенно если они укореняются и становятся доминирующими. Было показано, что инвазивная чесночная горчица , Alliaria petiolata , и ее аллелохимический бензилизотиоцианат подавляют рост трех видов грибов EcM, выращенных на сеянцах белой сосны . [73] Изменения в сообществах EcM могут иметь радикальные последствия для поглощения питательных веществ и состава сообщества местных деревьев с далеко идущими экологическими последствиями. [63]
Конкуренция среди грибов EcM является хорошо документированным случаем взаимодействия почвенных микробов . [74] [75] [76] [77] В некоторых экспериментах время колонизации конкурирующими грибами EcM определяло, какой вид был доминирующим. Многие биотические и абиотические факторы могут опосредовать конкуренцию среди грибов EcM, такие как температура, pH почвы, влажность почвы , специфичность хозяина и количество конкурентов, и эти факторы взаимодействуют друг с другом сложным образом. [75] [76] Также имеются некоторые доказательства конкуренции между грибами EcM и грибами арбускулярной микоризы. Это в основном отмечается у видов, которые могут содержать как грибы EcM, так и грибы AM на своих корнях. [78]
Было показано, что некоторые почвенные бактерии , известные как бактерии-помощники микоризы (MHB), стимулируют образование EcM, биомассу корней и побегов, а также рост грибков. [79] [80] [81] Некоторые утверждают, что бактерии этого типа следует считать третьим компонентом микоризы. [82] Другие бактерии подавляют образование эктомикоризы. [80]
Многие эктомикоризные грибы полагаются на млекопитающих для распространения своих спор, особенно грибов с гипогейными плодовыми телами. Многие виды мелких млекопитающих являются микофагами , поедающими широкий спектр грибов и особенно плодовые тела. Споры распространяются либо в результате того, что плодовое тело выкапывается и разбивается, либо после приема внутрь и последующего выделения. Некоторые исследования даже предполагают, что прохождение через кишечник животного способствует прорастанию спор , хотя для большинства видов грибов это не обязательно. [83] [84] Распространяя грибковые споры, эти животные оказывают косвенное влияние на структуру растительного сообщества. [26]
Другие плодовые тела поедаются беспозвоночными, такими как моллюски и личинки мух, некоторые из которых даже устойчивы к токсичному α-аманитину, обнаруженному в бледных поганках. Под землей нематоды и ногохвостки также потребляют грибковую ткань. [15] Было обнаружено, что эктомикоризный гриб Laccaria bicolor заманивает и убивает ногохвосток , чтобы получить азот, часть которого затем может быть передана растению-хозяину. В одном исследовании восточная белая сосна , инокулированная L. bicolor, смогла получить до 25% своего азота от ногохвосток. [85]
Съедобные грибы важны для обществ по всему миру. Трюфели , белые грибы и лисички известны своей кулинарной и финансовой значимостью. [86]
Эктомикоризные грибы не играют заметной роли в сельскохозяйственных и садоводческих системах. Большинство экономически значимых сельскохозяйственных культур, которые образуют микоризу, как правило, образуют ее с арбускулярными микоризными грибами. [87] Многие современные методы ведения сельского хозяйства, такие как обработка почвы , тяжелые удобрения и фунгициды, крайне вредны для микоризы и окружающей экосистемы. Возможно, что сельское хозяйство косвенно влияет на близлежащие эктомикоризные виды и места обитания; например, повышенное удобрение снижает производство спорокарпия. [88] [89]
В коммерческом лесном хозяйстве пересадка сельскохозяйственных культур на новые места часто требует сопутствующего эктомикоризного партнера. Это особенно касается деревьев, которые имеют высокую степень специфичности для своего микобионта, или деревьев, которые высаживаются далеко от их родной среды обитания среди новых видов грибов. Это неоднократно было показано на плантациях с участием облигатных эктомикоризных деревьев, таких как виды Eucalyptus и Pinus . [70] Массовая посадка этих видов часто требует инокуляции местных грибов EcM для процветания деревьев. [88]
Иногда эктомикоризные виды насаждений, такие как сосна и эвкалипт , высаживаются и рекламируются за их способность действовать как поглотитель атмосферного углерода. Однако эктомикоризные грибы этих видов также имеют тенденцию истощать почвенный углерод , что делает такое использование насаждений спорным. [90] [91]
Роль эктомикориз в поддержании растений-хозяев привела к предположению, что грибы EcM могут быть использованы в проектах по восстановлению , направленных на восстановление местных видов растений в экосистемах, нарушенных различными проблемами. [52] [92] Поскольку исчезновение микоризных грибов из среды обитания представляет собой серьезное нарушение почвы, их повторное добавление является важной частью установления растительности и восстановления среды обитания. [52]
Тяжелые металлы токсичны для живых организмов. Высокие концентрации в почве тяжелых металлов, таких как цинк , медь , кадмий , свинец , никель и хром, влияют на основные метаболические процессы и могут привести к повреждению клеток и смерти. Некоторые эктомикоризные грибы устойчивы к тяжелым металлам, при этом многие виды обладают способностью колонизировать загрязненные почвы. [93] Также есть случаи, когда популяции локально адаптировались к переносимости суровых химических сред. [93]
Грибы демонстрируют механизмы детоксикации для снижения концентрации тяжелых металлов в своих клетках. Эти механизмы включают снижение поглощения тяжелых металлов, секвестрацию и хранение тяжелых металлов внутри клетки, [48] и экскрецию. Поглощение тяжелых металлов может быть снижено путем сорбции и метаболической инактивации на уровне клеточной стенки и апопласта. [93] Эктомикоризные грибы также обладают способностью связывать значительные количества тяжелых металлов. [93] [94] Попав внутрь клетки, тяжелые металлы могут быть иммобилизованы в металлоорганических комплексах, сделаны растворимыми, преобразованы в металлотионеины , вовлечены в секвестрацию металлов и/или сохранены в вакуолях в химически неактивных формах. Также могут присутствовать системы антиоксидантной детоксикации, снижающие выработку свободных радикалов и защищающие грибковую клетку. [95] [96] Грибы могут экспортировать металлы из цитоплазмы в апопласт, механизм, который также встречается у растений. [97] Эктомикоризные грибы также могут концентрировать тяжелые металлы в своих плодовых телах. [98] Генетические различия между популяциями, растущими в токсичных и нетоксичных местообитаниях, сообщались редко, что указывает на то, что толерантность к металлам широко распространена. До сих пор не было задокументировано ни одного эндемичного таксона, адаптированного к металлам. [94] [99] Однако есть доказательства сдвигов сообществ, связанных с тяжелыми металлами, с более низким разнообразием, связанным с загрязненными участками. [100] [101] [102] С другой стороны, почвы, естественно богатые тяжелыми металлами, такие как серпентиновые почвы , по-видимому, не влияют на разнообразие сообществ эктомикоризных грибов. [103]
Хотя широко распространенная толерантность к металлам, по-видимому, является нормой для эктомикоризных грибов, было высказано предположение, что некоторые грибы, такие как Pisolithus tinctorius , [104] P. albus [105] и виды рода Suillus [106] [107] [108], могут адаптироваться к высоким уровням Al, Zn, Cd и Cu. Suillus luteus и S. bovinus являются хорошими примерами, с известными экотипами, адаптированными к Zn, Cd и Cu. [93] [106] [109] [110]
Было обнаружено, что грибы EcM оказывают благотворное воздействие в нескольких типах загрязненных сред, включая:
• Высокое содержание соли: ряд исследований показал, что некоторые грибы EcM могут помочь своим хозяевам выживать в условиях высокой засоленности почвы . [50] [51] [111]
• Радионуклиды: многие виды эктомикоризных грибов, включая Cortinariaceae , могут гипераккумулировать радионуклиды [112]
• Органические загрязнители: Некоторые виды EcM способны разлагать стойкие органические загрязнители (СОЗ), такие как органохлориды и полихлорированные бифенилы (ПХБ). Химикаты, которые могут быть детоксифицированы грибами EcM, как в одиночку, так и в сочетании с их растением-хозяином, включают 2,4-дихлорфенол и тетрахлорэтилен . [15] [113]
Эктомикоризные сообщества могут быть затронуты повышенным уровнем CO 2 и последующими эффектами изменения климата . В некоторых исследованиях повышенные уровни CO 2 усиливали рост грибкового мицелия [114] и увеличивали колонизацию корней EcM. [115] Другие ассоциации EcM показали слабую реакцию на повышенный уровень CO 2 . [116]
Повышенные температуры также дают ряд ответов, некоторые отрицательные, [117] а другие положительные. [54] Реакция EcM на засуху сложна, поскольку многие виды обеспечивают защиту от высыхания корней и улучшают способность корней поглощать воду. Таким образом, EcM защищают свои растения-хозяева во время засухи, хотя они сами могут быть затронуты с течением времени. [116]
Поскольку важность подземных организмов для продуктивности, восстановления и стабильности лесов становится очевидной, сохранение эктомикориз привлекает внимание. [88] Многие виды грибов EcM в Европе сократились из-за таких факторов, как снижение жизнеспособности деревьев, перевод лесов в другие сферы использования, загрязнение и подкисление лесных почв . [88] [118] Утверждалось, что сохранение эктомикориз требует защиты видов по всему их ареалу обитания и обитания, [88] чтобы гарантировать сохранение всех типов сообществ EcM. [28]
Северо -западный лесной план , который регулирует землепользование на федеральных землях в Тихоокеанском северо-западном регионе США, включает положения об изучении находящихся под угрозой исчезновения грибов и разработке стратегий по управлению ими и их защите. Европейский совет по сохранению грибов был основан в 1985 году для содействия исследованиям и внимания к находящимся под угрозой исчезновения грибам. [119] В 2018 году Совет сотрудничал с Королевскими ботаническими садами Кью для подготовки отчета о состоянии грибов в мире за 2018 год. [120]
Стратегии сохранения включают поддержание: 1) растений-убежищ и резервуарных хозяев для сохранения сообщества грибов EcM после сбора урожая; 2) взрослых деревьев для обеспечения саженцев разнообразным набором грибов EcM; и 3) старых насаждений, которые имеют разнообразные макро- и микросреды обитания и поддерживают разнообразные сообщества грибов EcM. [121] Сохранение естественных компонентов лесной подстилки и сохранение древесных остатков и субстратов также может быть важным. В одном исследовании, касающемся саженцев пихты Дугласа , удаление остатков лесной подстилки и уплотнение почвы снизило разнообразие и численность грибов EcM на 60%. [122] Удаление сосновой травы аналогичным образом снизило разнообразие и богатство грибов EcM. [23] Некоторые стратегии, такие как предписанные выжигания , оказывают разное воздействие на различные типы сообществ EcM, варьируясь от отрицательного [123] до нейтрального или положительного. [121] [124]
Большие коллекции культур ex situ грибов, включая эктомикоризные грибы, поддерживаются по всему миру в качестве страховки от генетической потери. Однако эти коллекции неполны. [125]
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )