Rizobakteriler

Rizobakteriler, birçok bitki ile simbiyotik ilişkiler oluşturan kökle ilişkili bakterilerdir. Adı, kök anlamına gelen Yunanca rhiza'dan gelmektedir. Rizobakterilerin parazitik çeşitleri mevcut olmasına rağmen, terim genellikle her iki taraf için de faydalı bir ilişki oluşturan bakterilere atıfta bulunmaktadır. Biyogübrede kullanılan önemli bir mikroorganizma grubudur. Biyo-gübreleme, dünya çapında mahsullere sağlanan azotun yaklaşık %65'ini oluşturmaktadır. Rizobakterilere genellikle bitki büyümesini teşvik eden rizobakteriler veya PGPR'ler denmektedir. PGPR terimi ilk olarak 1970'lerin sonlarında Joseph W. Kloepper tarafından kullanılmış ve bilimsel literatürde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. PGPR'lerin farklı konukçu bitki türleri ile farklı ilişkileri vardır. İki ana ilişki sınıfı rizosferik ve endofitiktir. Rizosferik ilişkiler, kökün yüzeyini kolonize eden PGPR'lerden veya konakçı bitkinin yüzeysel hücreler arası boşluklarından oluşmaktadır ve genellikle kök nodülleri oluşturmaktadır. Rizosferde bulunan baskın tür, Azospirillum cinsinden bir mikroptur. Endofitik ilişkiler, apoplastik uzayda konukçu bitki içinde yaşayan ve büyüyen PGPR'leri içermektedir.

Azot fiksasyonu, rizobakteriler tarafından gerçekleştirilen en faydalı işlemlerden biridir. Azot bitkiler için hayati bir besindir ve iki atom arasındaki üçlü bağları kırmak için gereken yüksek enerjiden dolayı gaz halindeki azot (N2) onlar için mevcut değildir. Rizobakteriler, nitrojen fiksasyonu yoluyla, gaz halindeki nitrojeni (N2) amonyağa (NH3) dönüştürebilmektedir, bu da onu konukçu bitki için bitki büyümesini destekleyebilen ve geliştirebilen kullanılabilir bir besin haline getirmektedir. Ev sahibi bitki, bakterilere amino asitler sağlamaktadır, böylece amonyağı özümsemelerine gerek kalmaz. Amino asitler daha sonra yeni sabitlenmiş nitrojen ile bitkiye geri gönderilmektedir. Nitrogenaz, nitrojen fiksasyonunda yer alan bir enzimdir ve anaerobik koşullar gerektirmektedir. Kök nodülleri içindeki zarlar bu koşulları sağlayabilmektedir. Rizobakterilerin metabolize olması için oksijen gerekmektedir, bu nedenle oksijen, nodüller içinde üretilen leghemoglobin adı verilen bir hemoglobin proteini tarafından sağlanmaktadır. Baklagiller iyi bilinen nitrojen sabitleyici ürünlerdir ve yüzyıllardır toprağın sağlığını korumak için ürün rotasyonunda kullanılmıştır.

Rizobakteriler ve konukçu bitkiler arasındaki simbiyotik ilişki maliyetsiz değildir. Bitkinin rizobakterilerin sağladığı ilave mevcut besinlerden yararlanabilmesi için rizobakterilerin yaşayabileceği bir yer ve uygun koşulları sağlaması gerekmektedir. Rizobakteriler için kök nodüllerinin oluşturulması ve bakımı, bitkinin toplam fotosentetik çıktısının %12-25'ine mal olabilmektedir. Baklagiller, besin maddelerinin bulunmaması nedeniyle genellikle erken ardışık ortamları kolonize edebilmektedir. Bununla birlikte, bir kez kolonize edildiğinde, rizobakteriler bitkiyi çevreleyen toprağı besin açısından daha zengin hale getirmektedir ve bu da diğer bitkilerle rekabete yol açabilmektedir. Kısacası, simbiyotik ilişki artan rekabete yol açabilmektedir.

PGPR'ler, mevcut olmayan besin formlarının çözünmesi ve besin taşınmasını kolaylaştırmaya yardımcı olan sideroforların üretimi yoluyla besinlerin kullanılabilirliğini arttırmaktadır. Bitki büyümesi için sınırlayıcı bir besin maddesi olan fosfor toprakta bol olabilmektedir, ancak en yaygın olarak çözünmeyen formlarda bulunmaktadır. Bitki rizosferlerinde bulunan rizobakteriler tarafından salınan organik asitler ve fosfotazlar, çözünmeyen fosfor formlarının H2PO4− gibi bitkide mevcut formlara dönüştürülmesini kolaylaştırmaktadır. PGPR bakterileri arasında Pseudomonas putida, Azospirillum fluorescens ve Azospirillum lipoferum bulunmaktadır ve baklagillerle ilişkili önemli nitrojen sabitleyici bakteriler arasında Allorhizobium, Azorhizobium, Bradyrhizobium ve Rhizobium bulunmaktadır.

Mikrobiyal aşılayıcılar ekinler için faydalı olabilse de, büyük ölçekli uygulama teknikleri henüz ekonomik olarak uygulanabilir hale gelmediğinden endüstriyel tarımda yaygın olarak kullanılmamaktadır. Kayda değer bir istisna, bezelye gibi baklagiller için rizobiyal aşılayıcıların kullanılmasıdır. PGPR'lerle aşılama, verimli nitrojen fiksasyonu sağlamaktadır ve 100 yılı aşkın bir süredir Kuzey Amerika tarımında kullanılmaktadır.

Bitki büyümesini teşvik eden rizobakteriler (PGPR) ilk olarak Kloepper ve Schroth tarafından tohuma aşılamayı takiben bitki köklerini kolonize eden ve bitki büyümesini artıran toprak bakterilerini tanımlamak için tanımlanmıştır. Kolonizasyon sürecinde aşağıdakiler örtüktür: tohuma aşılamada hayatta kalma, tohum eksüdalarına yanıt olarak spermosferde (tohumun çevresindeki bölge) çoğalma, kök yüzeyine tutunma ve gelişen kök sistemini kolonize etme yeteneği. PGPR'nin tarladaki etkisizliği, genellikle bitki köklerini kolonize edememelerine bağlanmıştır. Çeşitli bakteri özellikleri ve spesifik genler bu sürece katkıda bulunmaktadır, ancak yalnızca birkaçı tanımlanmıştır. Bunlar; motilite, tohum ve kök eksüdalarına kemotaksi, pili veya fimbria üretimi, spesifik hücre yüzeyi bileşenlerinin üretimi, kök eksüdalarının spesifik bileşenlerini kullanma yeteneği, protein sekresyonu ve çekirdek algılamayı içermektedir. Bu özelliklerin ifadesinde değiştirilen mutantların nesli, her birinin kolonizasyon sürecinde oynadığı kesin rolü anlamamıza yardımcı olmaktadır.

Gen füzyon teknolojilerine dayanan tarafsız tarama stratejileri kullanılarak daha önce karakterize edilmemiş yeni genlerin tanımlanmasında ilerleme kaydedilmektedir. Bu stratejiler, kolonizasyon sırasında ifade edilen genleri tespit etmek için raportör transpozonları ve in vitro ifade teknolojisini kullanmaktadır.

Yeşil floresan protein veya floresan antikorlar gibi moleküler belirteçler kullanılarak, konfokal lazer tarama mikroskobu kullanılarak kök üzerindeki tek tek rizobakterilerin konumunu izlemek mümkündür. Bu yaklaşım aynı zamanda rizosferdeki bir rizobakteriyel suşun metabolik aktivitesini izlemek için bir rRNA hedefleme probu ile birleştirilmiştir ve kök ucunda bulunan bakterilerin en aktif olduğunu göstermiştir.

PGPR'ler, doğrudan ve dolaylı yollarla bitki büyümesini arttırmaktadır, ancak ilgili spesifik mekanizmaların tümü iyi karakterize edilmemiştir. PGPR'ler tarafından bitki büyümesinin teşvik edilmesinin doğrudan mekanizmaları, bitki patojenlerinin veya diğer rizosfer mikroorganizmalarının yokluğunda gösterilebilirken, dolaylı mekanizmalar, PGPR'lerin bitki patojenlerinin mahsul verimi üzerindeki zararlı etkilerini azaltma kabiliyetini içermektedir. PGPR'lerin çeşitli mekanizmalarla bitki büyümesini doğrudan arttırdığı rapor edilmiştir: bitkiye aktarılan atmosferik azotun sabitlenmesi, demiri şelatlayan ve bitki köküne uygun hale getiren sideroforların üretimi, fosfor gibi minerallerin çözünmesi ve fitohormonların sentezi. PGPR'lerin varlığında kök yüzeyindeki spesifik iyon akışlarındaki artışlara bağlı olarak mineral alımının doğrudan arttırıldığı da rapor edilmiştir. PGPR suşları, rizosferde bu mekanizmalardan bir veya daha fazlasını kullanabilmektedir. Spesifik fitohormonları sentezleme veya bunlara yanıt verme yetenekleri değiştirilmiş mikrobiyal ve bitki mutantlarını kullanan moleküler yaklaşımlar, PGPR'ler tarafından bitki büyümesini arttırmanın doğrudan bir mekanizması olarak fitohormon sentezinin rolünün daha iyi anlaşılmasını sağlamıştır. Oksinleri ve sitokininleri sentezleyen veya bitki etilen sentezine müdahale eden PGPR tanımlanmıştır.

Şeker pancarı mahsulleri üzerinde yapılan araştırmalar, bazı kök kolonize eden bakterilerin zararlı rizobakteriler (DRB) olduğunu bulmuştur. DRB ile aşılanan şeker pancarı tohumlarının çimlenme oranları, kök lezyonları, kök uzaması, kök bozulmaları, mantar enfeksiyonu artışı ve bitki büyümesinin azalması görülmüştür. Bir denemede şeker pancarı verimi %48 oranında azalmıştır.

Altı rizobakteri suşu DRB olarak tanımlanmıştır. Suşlar Enterobacter, Klebsiella, Citrobacter, Flavobacterium, Achromobacter ve Arthrobacter cinslerindedir. Henüz tanımlanmamış çok sayıda taksonomik tür nedeniyle, DRB oldukça değişken olduğundan tam karakterizasyon mümkün olmamıştır.

PGPR'lerin varlığının, şeker pancarı köklerinde DRB'nin kolonizasyonunu azalttığı ve engellediği kanıtlanmıştır. PGPR'ler ve DRB'ler ile aşılanmış parsellerin üretiminde %39'luk bir artış olurken, sadece DRB'lerle tedavi edilen parsellerin üretiminde %30'luk bir azalma olmuştur.

Rizobakteriler ayrıca diğer bakteri ve mantarların neden olduğu bitki hastalıklarını da kontrol edebilmektedirler. Hastalık, indüklenmiş sistematik direnç ve antifungal metabolitlerin üretimi yoluyla bastırılmaktadır. Pseudomonas biyokontrol suşları, bitki büyümesini iyileştirmek ve tarımsal ürünlerin hastalık direncini iyileştirmek için genetik olarak modifiye edilmiştir. Tarımda, aşılayıcı bakteriler genellikle ekilmeden önce tohumların tohum kabuğuna uygulanmaktadır. Aşılanmış tohumların, mahsul üzerinde kayda değer faydalı etkiler üretmek için rizosfer içinde yeterince büyük rizobakteriyel popülasyonlar oluşturması daha olasıdır.