Μηχανισμοί δράσης εδαφικών ενδοφυτικών μυκήτων που εμπλέκονται στην ανάπτυξη του φυτού και στην απόκριση σε αβιοτικές καταπονήσεις
Authors: Αβραμίδου Μαριάννα 
Published: March 2024

Εδώ και πολλά χρόνια είναι γνωστή η σημασία των ωφέλιμων μικροοργανισμών τόσο στη διαμόρφωση της δομής του εδάφους όσο και για την ανάπτυξη των φυτών. Οι μικροοργανισμοί που αποικίζουν τη ρίζα των φυτών είτε εξωτερικά είτε και εσωτερικά φαίνεται ότι διαδραματίζουν ένα πολύ σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη του φυτού καθώς και στην αντοχή έναντι αβιοτικών και βιοτικών καταπονήσεων. Τα φυτά της οικογένειας των ψυχανθών συνάπτουν συμβιωτικές σχέσεις με μικροοργανισμούς (ριζόβια, δενδρόμορφοι μυκορριζικοί μύκητες), οι οποίες είναι κυρίως αμοιβαία επωφελής όμως μπορεί να γίνουνκαι παρασιτικές. Στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή θα μελετηθεί ένας μη παθογόνος ενδοφυτικός μύκητας του γένους Fusarium solani στέλεχος Κ, γνωστός και ως FsK, και το φυτό μοντέλο των ψυχανθών Lotus japonicus. Ο ασκομύκητας FsK είναι ένα ενδόφυτο που αρχικά απομονώθηκε από ρίζες φυτών ντομάτας, και σύντομα αποτέλεσε αντικείμενο μελέτης, χάρις την ικανότητά του να αυξάνει την αντίσταση των φυτών έναντι τόσο σε βιοτική καταπόνηση, για παράδειγμα από το παθογόνο του φυλλώματος Septoria lycopersici, όσο και σε αβιοτική καταπόνηση, λόγω έλλειψης νερού. Πρόσφατες μελέτες της αλληλεπίδραασης φυτού-μύκητα σε υποκυτταρικό επίπεδο έδειξαν ότι η εγκαθίδρυση του FsK στους ιστούς των ψυχανθών φυτών, απαιτεί μια σειρά αλλαγών που αφορούν τόσο προσαρμογές στην ανάπτυξη του μύκητα αλλά και αυτόνομες αποκρίσεις των φυτικών κυττάρων. Οι περισσότερες από αυτές τις αλλαγές έχουν περιγραφεί τόσο για συμβιωτικές αλληλεπιδράσεις όσο και για σχέσεις παθογένειας μεταξύ φυτών και μικροοργανισμών. Επίσης γνωρίζουμε ότι η ανάπτυξη του μύκητα εντός του φυτού δεν είναι ούτε επιβαρυντική αλλά ούτε και ευεργετική, όταν αναπτύσσονται υπό φυσιολογικές συνθήκες ανάπτυξης καιχωρίς εφαρμογή κάποιας καταπόνησης. Ένα πρώτο ερώτημα που έθεσε η παρούσα διδακτορική διατριβή να απαντήσει ήταν αν η αλληλεπίδραση φυτού-μύκητα είναι ωφέλιμη προς το φυτό σε συνθήκες αβιοτικού στρες. Διερευνήθηκε σε πρώτη φάση η ικανότητα του ενδόφυτου να προσφέρει αντίσταση στα φυτά που αναπτύσσονται υπό συνθήκες ζέστης, ψύχους όπως και οξειδωτικού στρες. Το ενδόφυτο είναι ικανό να αποικίζει τις ρίζες των ψυχανθών φυτών και υπό συνθήκες αβιοτικού στρες όμως σε μικρότερο βαθμό σε σχέση με τις κανονικές συνθήκες ανάπτυξης. Παρατηρήσαμε επίσης ότι η βιομάζα των βλαστώναυξήθηκε παρουσία του ενδοφύτου υπό ψυχρή καταπόνηση ενώ ο FsK επηρεάζει την ανάπτυξη των φυτών μέσω της αύξησης του μήκους της ρίζας υπό οξειδωτικό στρες. Προκειμένου να αποκτηθεί μια πληρέστερη εικόνα της σχέσης FsK-Lotus ελέγχθηκε και η επίδραση του μύκητα στην ανάπτυξη των φυτών κάτω από συνθήκες έλλειψης σιδήρου. Στην συγκεκριμένη περίπτωση ο FsK εξακολουθεί να είναι ικανός να προάγει την ανάπτυξη των φυτών μέσω του νωπού βάρους των βλαστών και των ριζών και τα φυτά που εμβολιάστηκαν με μύκητα παρουσίασαν συντομότερο χρόνο άνθησης υπό συνθήκες αβιοτικού στρες. Επιπλέον ο ενδοφυτικός μύκητας ενίσχυσε την πρόσληψη μακροθρεπτικών στοιχείων από τα φυτά (P, K, Ca και Mg) και μικροθρεπτικών συστατικών (Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, Co, Ni) χωρίς συνθήκες στρες. Όλα τα παραπάνω αποτελέσματα συμπληρώθηκαν με τη μελέτη του μεταγραφικού προφίλ των εμβολιασμένων με FsK φυτών, στα πρώιμα στάδια της αλληλεπίδρασης. Ένας μεγάλος αριθμός μεταγραφημάτων εντοπίστηκε ως διαφορικά εκφραζόμενος τόσο από τη πλευρά του φυτού όσο και από τη πλευρά του μύκητα. Γνωρίζοντας λοιπόν ότι ο μύκητας βοηθάει στην πρόληψη θρεπτικών στοιχείων από το φυτό ελέγξαμε για γονίδια του μύκητα που σχετίζονται με το σίδηρο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο μύκητας διαθέτει μία οδό πρόσληψης σιδήρου υψηλής συγγένειας. Παράλληλα με τη μελέτη της αλληλεπίδρασης του ενδοφυτικού μυκητιακού στελέχους, Fusarium solani στέλεχος Κ, με το φυτό μοντέλο Lotus japonicus, υπό συνθήκες αβιοτικού στρες, μελετήσαμε και την δράση τριτερπενίων στην ικανότητα αποικισμού του. Γνωρίζουμε ότι οι δευτερογενείς μεταβολίτες είναι γνωστοί για τη δράση τους σε σημαντικές λειτουργίεςτου φυτού, όπως είναι η προστασία από βιοτικούς και αβιοτικούς παράγοντες καθώς και η εγκαθίδρυση συμβιωτικών σχέσεων. Τα τριτερπένια αποτελούν τη σημαντικότερη ομάδα αμυντικών μεταβολιτών ενάντια σε μύκητες και παθογόνα. Η διερεύνηση της βιοσύνθεσης των τριτερπενίων και συγκεκριμένα του ρόλου της συνθάσης της β-αμυρίνης, LjAMY2 αποτελεί κομμάτι έρευνας του εργαστηρίου καθώς έχει αποδειχθεί μέχρι σήμερα ότι αποτελεί το μοναδικό ένζυμο που καταλύει την σύνθεση της λουπεόλης και της β-αμυρίνης. Πρόσφατα αποτελέσματα του εργαστηρίου έδειξαν επίσης ότι ο ενδοφυτικός μύκητας αναγνωρίζεται από το φυτό με παρόμοιο τρόπο που αναγνωρίζονται τα ριζοβακτήρια και οι μυκορριζικοί μύκητες και είναι ικανός να επάγει το γνωστό μονοπάτι Common Symbiotic Signaling Pathway (CSSP). Έχοντας αυτά τα δεδομένα, ο επόμενος στόχος του διδακτορικού ήταν να απαντήσει στο ερώτημα αν η ικανότητα αποικισμού του FsK επηρεάζεται από το βιοσυνθετικό μονοπάτι των τριτερπενίων και πως επιδρά στη διαδικασία της φυματιογένεσης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν μεταλλαγμένα φυτά Lotus japonicus και συγκεκριμένα μεταλλάγματα των γονιδίων AMY2.188.1 και CYP71D353 (CYP71-753). Ο μύκητας είναι ικανός να αποικίζει τις ρίζες των μεταλλαγμένων φυτών ενώ επίσης παρατηρούμε μία συνεργατική δράση του ριζοβίου με το μύκητα στη διαδικασία της φυματιογένεσης μόνο σε φυτά αγρίου τύπου. Τέλος, όλα τα παραπάνω αποτελέσματα έρχονται να συμπληρώσουν και να επιβεβαιώσουν την ωφέλιμη συμβιωτική σχέση του ενδόφυτου με το ψυχανθές φυτό. Συμπληρωματικά και τα αποτελέσματα της συνεργατικής δράσης και συνύπαρξης με ριζοβακτήρια μας υπενθυμίζουν ότι η μελέτη αυτού του ωφέλιμου ενδοφυτικού μύκητα είναι άξια διερεύνησης.