Эктомикориза (от греческого ἐκτός ektos , «снаружи», μύκης mykes , «грибок», и ῥίζα rhiza , «корень»; мн. эктомикоризы или эктомикоризы , сокращенно EcM ) — это форма симбиотических отношений , возникающих между грибковым симбионтом , или микобионт и корни различных видов растений . Микобионт часто принадлежит 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 березы , диптерокарпа , мирта , бука , ивы , сосны и розы . [2] Исследования эктомикоризы приобретают все большее значение в таких областях, как управление и восстановление экосистем , лесное хозяйство и сельское хозяйство .
В отличие от других видов микоризы , таких как арбускулярная микориза и эрикоидная микориза , эктомикоризные грибы не проникают через клеточные стенки хозяина . Вместо этого они образуют полностью межклеточный интерфейс, известный как сеть Хартига , состоящий из сильно разветвленных гиф, образующих решетчатую структуру 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 иметь толщину до 40 мкм , а гифы уходят в окружающую почву на несколько сантиметров. Сеть гиф помогает растению усваивать питательные вещества, включая воду и минералы, часто помогая растению-хозяину пережить неблагоприятные условия. [2] Взамен грибному симбионту предоставляется доступ к углеводам.
Хотя образцы эктомикориз обычно отбираются из поверхностного горизонта из-за более высокой плотности корней, известно, что эктомикоризы встречаются в глубоких корнях деревьев (на глубине более 2 метров), а некоторые - на глубине до 4 метров. [4]
Хорошо известные плодовые тела грибов EcM включают экономически важный и съедобный трюфель ( Tuber ), а также смертельные шапки и ангелы-разрушители ( 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 как минимум 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] Сосновые — старейшее из существующих семейств растений, в которых происходит симбиоз с грибами EcM, [6] и окаменелости этого семейства датируются 156 миллионами лет назад. [7]
Было высказано предположение, что тип среды обитания и различные функции разных микориз помогают определить, какой тип симбиоза преобладает на данной территории. [8] Согласно этой теории, симбиозы EcM развивались в таких экосистемах, как бореальные леса , которые являются относительно продуктивными, но в которых круговорот питательных веществ все еще ограничен. Эктомикоризы занимают промежуточное положение по своей способности усваивать питательные вещества, будучи более эффективными, чем арбускулярные микоризы , и менее эффективными, чем эрикоидные микоризы , что делает их полезными в условиях промежуточного питательного состояния.
Грибы состоят из мягких тканей , что затрудняет окаменелость и делает обнаружение окаменелостей грибов редким. Однако некоторые прекрасно сохранившиеся экземпляры были обнаружены в среднеэоценовом Принстон -Черте в Британской Колумбии . Эти эктомикоризные окаменелости ясно свидетельствуют о наличии сети Хартига , мантии и гиф , демонстрируя устоявшиеся ассоциации EcM, существовавшие по крайней мере 50 миллионов лет назад. [7]
Летопись окаменелостей показывает, что более распространенные арбускулярные микоризы сформировались задолго до других типов симбиозов грибов и растений. [5] [9] [10] Эктомикориза, возможно, возникла в результате диверсификации растений и эволюции хвойных и покрытосеменных растений . Таким образом, арбускулярные микоризы могли быть движущей силой колонизации суши растениями, в то время как эктомикоризы могли возникнуть либо в ответ на дальнейшее видообразование, когда климат Земли стал более сезонным и засушливым, либо, возможно, просто в ответ на дефицит питательных веществ в средах обитания. [10] [11]
Молекулярный и филогенетический анализ линий грибов позволяет предположить, что грибы EcM неоднократно эволюционировали и сохранялись от предков, не относящихся к EcM, таких как гумусовые и древесные сапротрофные грибы. [1] Оценки варьируются от 7–16 [6] [12] [13] до ~66 независимых эволюций ассоциаций ЭкМ. [1] Некоторые исследования предполагают, что произошел возврат к наследственному состоянию свободной жизни, [12] но это противоречиво. [6] [10] [13]
Как следует из названия, биомасса микосимбионта в основном находится вне корня растения. Строение гриба состоит преимущественно из трех частей: 1) внутрикорневых гиф, составляющих сеть Хартига ; 2) мантия, образующая оболочку, окружающую кончик корня; и 3) экстрарадикальные гифы и родственные им структуры, распространяющиеся по почве.
Сеть Гартига образуется в результате 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 клетки гриба и корня, и здесь происходит обмен питательными веществами и углеродом . [15]
Глубина проникновения различается у разных видов. У эвкалипта и алнуса сеть Гартига ограничена эпидермисом , тогда как у большинства голосеменных гифы проникают глубже, в корковые клетки или эндодерму . [2] При многих типах эпидермиса происходит удлинение клеток вдоль эпидермиса, увеличивая поверхностный контакт между грибом и клетками корня. Большинство сетей Хартига кортикального типа не демонстрируют такого удлинения, что предполагает разные стратегии увеличения поверхностного контакта между видами. [2]
Гифальная оболочка, известная как мантия, которая часто имеет больше биомассы, чем интерфейс сети Хартига, окутывает корень. Структура мантии разнообразна: от рыхлой сети гиф до структурированного и многослойного расположения тканей. Часто эти слои напоминают ткань паренхимы растений и называются псевдопаренхиматозными . [15]
Поскольку корень покрыт мантией, он часто поражается в процессе развития . Грибковые партнеры EcM характерно подавляют развитие корневых волосков своего растительного симбионта. [15] Они также могут усиливать ветвление корней, индуцируя цитокинины в растении. [16] Эти модели ветвления могут стать настолько обширными, что одна консолидированная мантия может одновременно охватывать множество кончиков корней. Подобные структуры называются бугорчатыми или кораллоидными эктомикоризами. [15]
Мантии различных пар EcM часто имеют характерные черты, такие как цвет, степень ветвления и степень сложности, которые используются для идентификации гриба, часто в сочетании с молекулярным анализом . [15] Плодовые тела также полезны, но не всегда доступны. [2]
Экстрарадикальные гифы простираются наружу от мантии в почву , компенсируя подавление корневых волосков за счет увеличения эффективной площади поверхности колонизированного корня. Эти гифы могут распространяться по отдельности или в совокупности, известной как ризоморф . Эти составные гифальные органы могут иметь широкий спектр структур. Некоторые ризоморфы представляют собой просто параллельные линейные совокупности гиф. Другие имеют более сложную организацию, например, центральные гифы могут быть больше в диаметре, чем другие гифы, или гифы могут непрерывно расти на кончиках, проникая в новые области, что внешне напоминает меристематическую активность. [2]
Эта часть эктомикоризы, называемая экстрарадикальным или экстраматрическим мицелием , функционирует в основном как транспортная структура . Зачастую они распространяются на значительные расстояния, сохраняя большую площадь контакта с почвой. [17] Некоторые исследования показали взаимосвязь между скоростью транспорта питательных веществ и степенью организации ризоморфов. [2] [18] Ризоморфы разных типов EcM часто имеют разные типы организации и стратегии исследования, что проявляется в разной структуре и росте в почве. [17] Эти различия также помогают идентифицировать симбиотический гриб.
Гифы, распространяющиеся наружу в почву от эктомикоризы, могут заразить другие близлежащие растения. Эксперименты и полевые исследования показывают, что это может привести к образованию общих микоризных сетей (CMN), которые позволяют распределять углерод и питательные вещества между связанными растениями-хозяевами. [19] [20] [21] Например, редкий изотоп углерода-14 был добавлен к конкретному дереву, а затем 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]
Было высказано предположение, что общая связь питательных веществ через CMN связана с другими экологическими процессами, такими как зарождение саженцев, сукцессия лесов и другие взаимодействия растений. Было показано, что некоторые арбускулярные микоризы несут сигналы, предупреждающие растения о нападении насекомых или болезни. [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 продолжение внерадикальных гиф . Его клеточные стенки и споры обычно состоят из сложных углеводов и часто содержат большое количество азота . [26] Многие грибы EcM могут образовывать плодовые тела и завершать свой жизненный цикл только путем участия в отношениях EcM.
Плодовые тела многих видов принимают классические, хорошо известные формы, такие как эпигейные грибы и гипогейные трюфели . Большинство из них производят микроскопические размножения размером около 10 мкм, которые могут распространяться на большие расстояния с помощью различных переносчиков , от ветра до животных-микофагов . [27] Было высказано предположение, что животных привлекают гипогенные плодовые тела, потому что они богаты питательными веществами, такими как азот, фосфор, минералы и витамины. [15] Однако другие утверждают, что конкретные питательные вещества менее важны, чем наличие пищи в определенное время года. [26]
Во многих исследованиях для оценки состава и богатства сообщества использовались обследования плодовых тел. Однако этот метод несовершенен, поскольку плодовые тела сохраняются недолго и их трудно обнаружить. [28]
Для образования эктомикоризной связи гифы гриба должны сначала прорасти к корням растения. Затем они должны окутать клетки корневого чехлика , проникнуть в них и заразить их, позволяя сформироваться симбиотической сети Хартига и связанным с ней структурам. Чтобы добиться успеха, оба партнера (растение и гриб) должны следовать точной последовательности экспрессии генов . Имеются данные о том, что коммуникация между партнерами на ранней стадии эктомикоризы происходит в некоторых случаях посредством летучих органических соединений , образующихся только во время фазы взаимодействия [29] , и что гены, участвующие в секреторном , апикальном росте и инфекционных процессах, демонстрируют изменения в экспрессии на ранних стадиях. на этапе предконтакта. [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 гифов 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 метаболиты, высвобождаемые хозяином, стимулируют рост грибов у Pisolithus , изменяют угол ветвления гиф и вызывают другие изменения в грибе. [31] Некоторые гены грибов, по-видимому, экспрессируются до контакта с растением, что позволяет предположить, что сигналы в почве могут индуцировать важные гены грибов на расстоянии от растения. [31]
Как только грибные гифы вступают в контакт с клетками корневого чехлика , они должны продолжать расти внутрь клеток эпидермиса и размножаться, образуя слои, которые в конечном итоге образуют мантию. Производство грибковой мантии включает активацию генов, ответственных за трансляцию и рост клеток , а также генов, ответственных за синтез и функционирование мембран , 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 продукцию эктомикоризинов. [2] [34] Изменения включают активацию генов, которые могут помочь формированию новых мембран на симбиотическом интерфейсе. [35] Влияние мантии на пролиферацию корней, развитие корневых волосков и дихотомическое ветвление может быть частично имитировано грибковыми экссудатами, что открывает путь к идентификации молекул, ответственных за коммуникацию. [31]
Сеть Хартига первоначально формируется из полностью дифференцированного внутреннего слоя мантии, и проникновение происходит широким фронтом, ориентированным под прямым углом к оси корня [14] , переваривая апопластическое пространство . Некоторые растительные клетки реагируют выработкой белков, связанных со стрессом и защитой, включая хитиназы и пероксидазы , которые могут ингибировать образование сети Хартига. [2] [31] Однако у этих растений все еще происходит обширная колонизация корней, и эти признаки устойчивости, по-видимому, уменьшаются примерно к 21 дню после колонизации, что означает, что грибы EcM могут подавлять защитную реакцию. [2]
Когда гриб и растение становятся тесно связанными, они начинают делиться питательными веществами. Этот процесс также контролируется генами, связанными с симбиозом. Например, для поглощения моносахаридов Amanita muscaria необходим переносчик , который экспрессируется только тогда, когда он находится в микоризной ассоциации. Когда экспрессируется транспортер, что приводит к увеличению импорта сахара грибом, растение-хозяин реагирует увеличением доступности сахара. Регулируется также транспорт аммония и аминокислот от гриба к растению. [32] [35]
Азот необходим в биохимии растений , он необходим для хлорофилла и всех белков . В большинстве наземных экосистем азота не хватает, и он задерживается в органических веществах, которые трудно расщепить. Таким образом, грибные симбионты дают 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 питательные вещества пересекали три границы раздела: 1) интерфейс почва-гриб, 2) интерфейс гриб- апопласт и 3) интерфейс апопласт-корневая клетка. [36] Было подсчитано, что эктомикоризные грибы получают примерно 15% пищевых продуктов растения-хозяина и взамен обеспечивают до 86% потребностей хозяина в азоте. [27]
Некоторые исследования показали, что если из-за использования человеком удобрений слишком много азота, растения могут отодвинуть свои ресурсы от грибковой сети. [37] [38] Это может создать проблемы для гриба, который может оказаться неспособным производить плодовые тела, [37] и в долгосрочной перспективе может вызвать изменения в типах видов грибов, присутствующих в почве. [39] В одном исследовании видовое богатство резко сократилось с увеличением поступления азота: более 30 видов представлены на участках с низким содержанием азота и только 9 — на участках с высоким содержанием азота. [40]
По мере того, как гифы сетчатой области Хартига становятся более плотно упакованными, они прижимаются к клеточным стенкам корневых клеток растения. Часто стенки клеток грибов и растений становятся почти неразличимыми в местах их соприкосновения, что облегчает обмен питательными веществами. [41] Во многих эктомикоризах гифы сети Хартига не имеют внутренних делений, создавая структуру, подобную многоядерным транспортным клеткам , которая облегчает межгифальный транспорт. [36] На кончиках гифов имеется высокая концентрация органелл , ответственных за производство энергии и белка ( митохондрий и шероховатой эндоплазматической сети ). [42] Есть признаки того, что транспортеры в плазматических мембранах грибов и растений активны, что указывает на двунаправленный обмен питательных веществ. [41]
Структура сети EcM зависит от наличия питательных веществ. Когда доступность питательных веществ низкая, инвестиции в подземную сеть высоки по сравнению с надземным ростом. [43] Фосфор является еще одним ограничивающим питательным веществом во многих наземных экосистемах. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что фосфор переносится в основном в виде ортофосфата . [41] Некоторые эктомикоризы, образующие мат, содержат рибонуклеазы , способные быстро расщеплять ДНК с получением фосфора из ядер . [36]
Экстрарадикальные гифы, особенно ризоморфы, также могут обеспечивать неоценимый транспорт воды. Часто они превращаются в специализированные побеги, которые простираются далеко от корней хозяина, увеличивая функциональную площадь доступа к воде. [44] [45] Гифальная оболочка, окутывающая кончики корней, также действует как физический барьер, защищающий ткани растения от патогенов и хищников. Имеются также доказательства того, что вторичные метаболиты, продуцируемые грибами, действуют как биохимические защитные механизмы против патогенных грибов, нематод и бактерий, которые могут попытаться заразить корень микоризы. [15] [46] Многие исследования также показывают, что грибы EcM позволяют растениям переносить почвы с высокими концентрациями 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 растений. 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 во всех экосистемах бореальной , умеренной и тропической зон , в первую очередь среди доминирующих семейств древесных растений. [27] Многие семейства грибов, распространенные в лесах умеренного пояса (например, Russulaceae , Boletaceae , Thelephoraceae ), также широко распространены в южном полушарии и тропических диптерокарповых лесах: хотя семейства растений в умеренных и тропических лесах весьма различны, эктомикоризные грибы довольно распространены. похожий. [53] На типы грибов EcM влияет тип почвы как в полевых условиях [54] [55], так и в лаборатории. [56] [57]
Для большинства видов растений и животных видовое разнообразие увеличивается по направлению к экватору. Это называется широтным градиентом разнообразия (LGD). [58] Напротив, есть свидетельства того, что грибы EcM могут иметь максимальное разнообразие в умеренной зоне . [27] [59] Если это так, то это можно объяснить одной или несколькими из следующих гипотез: 1) грибы EcM, возможно, развились в более высоких широтах с хозяевами Pinaceae и были менее способны конкурировать в тропическом климате ; 2) растения, которые ЭЦМ используют в качестве хозяев, в умеренных условиях могут быть более разнообразными, а структура почвы в умеренных регионах может способствовать более высокой дифференциации ниш и накоплению видов; и 3) тропические хозяева EcM более редко распространены на небольших изолированных лесных островах, что может уменьшить размеры популяций и разнообразие грибов EcM. [59]
Большинство хозяев EcM демонстрируют низкий уровень специфичности и могут образовывать симбиоз со многими отдаленно родственными грибами. [60] Это может иметь эволюционные преимущества для растения по двум причинам: 1) сеянцы растения с большей вероятностью будут способны образовывать микоризу в самых разных средах обитания; и 2) растение может использовать различные грибы, способность которых различаться по доступу к питательным веществам. [61]
Грибы EcM демонстрируют различные уровни специфичности по отношению к своим растениям-хозяевам, а затраты и выгоды от их специализации недостаточно изучены. [62] [63] [64] Например, группа суиллоидов, монофилетическая совокупность, содержащая роды Suillus , Rhizopogon , Gomphidius и другие, демонстрирует крайнюю степень специфичности, причем почти все ее члены образуют эктомикоризы с представителями Pinaceae . . [61] Однако многие другие группы грибов имеют очень широкий круг хозяев. [65] [66]
Таксономически родственные растения-хозяева имеют более сходные грибковые сообщества EcM, чем таксоны, имеющие более отдаленное родство. [67] Аналогичным образом, молекулярно-филогенетические исследования показали, что грибы, полученные от общего предка, с большей вероятностью будут иметь таксономически родственных хозяев. [12] [68] Зрелость окружающей среды-хозяина или статус сукцессии также могут влиять на разнообразие присутствующих грибковых сообществ EcM. [67] Другие косвенные факторы также могут играть роль в грибковом сообществе EcM, например, опадение листьев и качество подстилки, которые влияют на уровень кальция и pH почвы . [69]
Растениям, не являющимся аборигенными для данного региона, часто требуются микоризные симбионты для процветания. Подавляющее большинство арбускулярных микориз неспецифичны, поэтому растения, взаимодействующие с этими микоризами, часто быстро и легко становятся инвазивными . Однако эктомикоризные симбиозы зачастую относительно специфичны. В экзотическом лесном хозяйстве совместимые грибы EcM часто вводятся в зарубежный ландшафт, чтобы обеспечить успех лесных плантаций . [70] Чаще всего это встречается у эвкалиптов и сосен , которые в естественных условиях являются облигатными эктомикоризными деревьями. [70] По этой причине в южном полушарии было трудно посадить сосны, [71] и многие плантации эвкалипта требовали инокуляции грибами EcM из их естественного ландшафта. В обоих случаях после внедрения сетей EcM деревья смогли натурализоваться, а затем начали конкурировать с местными растениями. [70]
Однако многие виды EcM инвазируются совместно без помощи человека. Семейство Pinaceae часто вторгается в среду обитания вместе со специфическими грибами EcM из родов Suillus и Rhizopogon . [62] Существуют также грибы, образующие эктомикоризу, с космополитическим распространением , которые могут позволить неместным видам растений распространяться в отсутствие их специфических грибов EcM в местной экосистеме. [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 укоренились и доминируют. Было показано , что инвазивная чесночная горчица Alliaria petiolata и ее аллелохимический бензилизотиоцианат ингибируют 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 сообществ местных деревьев, что может иметь далеко идущие экологические последствия. [63]
Конкуренция между грибами EcM — хорошо документированный случай взаимодействия почвенных микробов . [74] [75] [76] [77] В некоторых экспериментах время колонизации конкурирующими грибами EcM определяло, какой вид доминировал. Многие биотические и абиотические факторы могут опосредовать конкуренцию между грибами EcM, такие как температура, pH почвы , влажность почвы , специфичность хозяина и количество конкурентов, и эти факторы сложным образом взаимодействуют друг с другом. [75] [76] Существуют также некоторые свидетельства конкуренции между грибами EcM и арбускулярными микоризными грибами. В основном это отмечается у видов, которые могут содержать на своих корнях как грибы EcM, так и AM. [78]
Было показано, что некоторые почвенные бактерии , известные как бактерии-помощники микоризы (MHB), стимулируют образование EcM, биомассу корней и побегов, а также рост грибов. [79] [80] [81] Некоторые утверждают, что бактерии такого типа следует считать третьим компонентом микоризы. [82] Другие бактерии ингибируют образование эктомикоризы. [80]
Многие эктомикоризные грибы используют млекопитающих для распространения своих спор, особенно грибы с гипогенными плодовыми телами. Многие виды мелких млекопитающих являются микофагами , поедая широкий спектр грибов, особенно их плодовые тела. Споры распространяются либо потому, что плодовое тело раскопано и раздроблено, либо после проглатывания и последующего выделения. Некоторые исследования даже предполагают, что прохождение через кишечник животного способствует прорастанию спор , хотя для большинства видов грибов в этом нет необходимости. [83] [84] Распространяя споры грибов, 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 толерантны к токсичному α-аманитину, обнаруженному в смертельных колпаках. Под землей нематоды и коллемболы также поедают грибковую ткань. [15] Было обнаружено, что эктомикоризный гриб Laccaria bicolor заманивает и убивает ногохвостов для получения азота, часть которого затем может быть передана растению-хозяину. В одном исследовании сосна восточная белая, инокулированная L. bicolor, смогла получить до 25% азота из ногохвостов. [85]
Съедобные грибы играют важную роль в обществе во всем мире. Трюфели , белые грибы и лисички известны своим кулинарным и финансовым значением. [86]
Эктомикоризные грибы не распространены в сельскохозяйственных и садоводческих системах. Большинство экономически значимых сельскохозяйственных культур, образующих микоризу, имеют тенденцию образовывать их с помощью арбускулярных микоризных грибов. [87] Многие современные методы ведения сельского хозяйства, такие как обработка почвы , тяжелые удобрения и фунгициды, чрезвычайно вредны для микоризы и окружающей экосистемы. Вполне возможно, что сельское хозяйство косвенно влияет на близлежащие виды и места обитания эктомикоризных видов; например, увеличение количества удобрений снижает производство спорокарпов. [88] [89]
В коммерческом лесном хозяйстве пересадка сельскохозяйственных деревьев на новые места часто требует сопровождающего партнера-эктомикоризца . Особенно это касается деревьев, обладающих высокой степенью специфичности к своему микобионту, или деревьев, высаживаемых вдали от естественной среды обитания среди новых видов грибов. Это неоднократно было показано на плантациях облигатных эктомикоризных деревьев, таких как виды эвкалипта и сосны . [70] Массовая посадка этих видов часто требует инокулята местных грибов EcM для процветания деревьев. [88]
Иногда высаживают эктомикоризные виды плантаций, такие как сосна и эвкалипт , и рекламируют их способность действовать как поглотитель атмосферного углерода. Однако эктомикоризные грибы этих видов также имеют тенденцию истощать углерод почвы , что делает такое использование плантаций спорным. [90] [91]
Роль эктомикоризы в поддержке растений-хозяев привела к предположению, что грибы EcM могут использоваться в проектах восстановления , 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 появление является важной частью создания 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 и гибели клеток . Некоторые эктомикоризные грибы толерантны к тяжелым металлам, при этом многие виды способны колонизировать загрязненные почвы. [93] Есть также случаи, когда население локально адаптировалось к суровой химической среде. [93]
Грибы обладают механизмами детоксикации , позволяющими снизить концентрацию тяжелых металлов в своих клетках. Эти механизмы включают снижение поглощения тяжелых металлов, секвестрацию и хранение тяжелых металлов внутри клетки [48] и выведение. Поглощение тяжелых металлов можно снизить за счет 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 иммобилизоваться в металлоорганических комплексах, стать растворимыми, трансформироваться в металлотионеины , участвовать в секвестрации металлов и/или храниться в вакуолях в химически неактивных формах. Также могут существовать антиоксидантные системы детоксикации, снижающие выработку свободных радикалов и защищающие грибковые клетки. [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] Редко сообщалось о генетических различиях между популяциями, растущими в токсичных и нетоксичных средах обитания, что указывает на широкое распространение толерантности к металлам. До сих пор не зарегистрировано никаких эндемичных таксонов , адаптированных к металлам . [94] [99] Однако есть свидетельства изменений в сообществах, связанных с тяжелыми металлами, с меньшим 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 эктомикоризных грибковых сообществ. [103]
Хотя широко распространенная толерантность к металлам кажется нормой для эктомикоризных грибов, было высказано предположение, что некоторые грибы, такие как Pisolithustinctorius , [104] P. albus [105] и виды рода Suillus [106] [107] [108] могут адаптироваться к высоким уровням Al, Zn, Cd и Cu. Хорошими примерами являются Suillus luteus и S. bovinus , известные экотипы которых адаптированы к Zn, Cd и Cu. [93] [106] [109] [110]
Было обнаружено, что грибы EcM оказывают благотворное воздействие на несколько типов загрязненной окружающей среды, в том числе:
• Высокое содержание соли. Ряд исследований показал, что некоторые грибы EcM могут помочь своим хозяевам выжить в условиях высокой засоленности почвы . [50] [51] [111]
• Радионуклиды: многие виды эктомикоризных грибов, включая Cortinariaceae , могут чрезмерно накапливать радионуклиды [112].
• Органические загрязнители: некоторые виды EcM способны разлагать стойкие органические загрязнители (СОЗ), такие как хлорорганические соединения и полихлорированные дифенилы (ПХБ). Химические вещества, которые могут быть обезврежены грибами EcM как отдельно, так и в сочетании с растением-хозяином, включают 2,4-дихлорфенол и тетрахлорэтилен . [15] [113]
Сообщества эктомикоризы могут пострадать от увеличения выбросов CO 2 и последующих последствий изменения климата . В некоторых исследованиях повышенные уровни CO 2 увеличивали рост грибкового мицелия [114] и увеличивали колонизацию корней EcM. [115] Другие ассоциации EcM показали слабую реакцию на повышенный уровень CO 2 . [116]
Повышение температуры также дает ряд реакций, некоторые отрицательные, [117] и 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 со временем они сами могут пострадать. [116]
Поскольку важность подземных организмов для продуктивности, восстановления и стабильности лесов становится очевидной, сохранение эктомикоризы привлекает все больше внимания. [88] Число видов грибов EcM в Европе сократилось из-за таких факторов, как снижение жизнеспособности деревьев, переустройство лесов для других целей, загрязнение и подкисление лесных почв . [88] [118] Утверждалось, что сохранение эктомикоризы требует защиты видов по всему ареалу их хозяев и среды 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 по изучению 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 вниманию к грибам, находящимся под угрозой исчезновения. [119] В 2018 году Совет в сотрудничестве с Королевским ботаническим садом Кью подготовил Доклад о состоянии грибов в мире за 2018 год. [120]
Стратегии сохранения включают поддержание: 1) растений-убежищ и резервуарных хозяев для сохранения грибкового сообщества EcM после сбора урожая; 2) взрослые деревья для обеспечения саженцев разнообразным набором грибов EcM; и 3) старовозрастные насаждения, которые имеют разнообразную макро- и микросреду обитания и поддерживают различные грибные сообщества EcM. [121] Сохранение естественных компонентов лесной подстилки и удержание древесного мусора и субстратов также может иметь важное значение. В одном исследовании, посвященном саженцам пихты Дугласа , удаление мусора из лесной подстилки и уплотнение почвы уменьшили разнообразие и численность грибов EcM на 60%. [122] Удаление сосновой травы аналогичным образом уменьшило разнообразие и богатство грибов EcM. [23] Некоторые стратегии, такие как предписанные ожоги , оказывают различное воздействие на разные типы сообществ ЭКМ: от отрицательного [123] до нейтрального или положительного. [121] [124]
Большие коллекции культур грибов ex situ , включая эктомикоризные грибы, сохраняются по всему миру в качестве страховки от генетической потери. Однако эти коллекции неполны. [125]
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )