Endofüüdid

Endofüüdid (kreeka keeles ἔνδον 'sees' + φυτόν 'taim') on mikroorganismid, üldjuhul seened või bakterid, kes elavad taimekudedes rakkude vahel ja sees ega põhjusta taimel nähtavaid haigussümptomeid. Endofüütseid seeneliike arvatakse olevat üle miljoni , kuid oma varjatud elukoha tõttu on nad avastatud suhteliselt hilja ja seetõttu on neid ka vähe uuritud. Hinnanguliselt on praeguseks teada vähem kui 1% kõigist endofüütsetest liikidest. Looduslikes ökosüsteemides on tõenäoliselt enamik taimi, kui mitte kõik, sümbiootilistes suhetes endofüütsete mikroorganismidega. Vanim tõend endofüütide kohta on leid ühest 400 miljoni aasta vanusest maismaataime fossiilist. Endofüütide liigiline mitmekesisus kasvab liikudes Maa poolustest ekvaatori suunas ja võib ühe taime piires olla küllaltki suur, näiteks troopilistelt puudelt on leitud ühest lehest üle 20 liigi endofüüte. On liike, kes koloniseerivad suhteliselt vabalt mitmeid taimeliike (nt Epicoccum nigrum), aga ka selliseid, keda võib leida ainult ühelt teatud taimeliigilt (liigispetsiifilised). Endofüütide taimelt taimele edasikandumisel eristatakse horisontaalset levikut (ühelt taimelt teisele läbi väliskeskkonna) ja vertikaalselt levikut (vanemalt järglastele, koos taime seemnetega). Horisontaalse levikuga endofüütsed seened omavad oma elutsüklis sugulise paljunemise staadiumi ja levivad eostega ühelt taimelt teisele näiteks tuule või putukvektorite abil. Selline levimismoodus on omane patogeensetele seentele, mis viitab horisontaalse levikuga endofüütide võimalikule sugulusele patogeensete seentega. Vertikaalse levikuga endofüütsed seened on aseksuaalsed: nad ei moodusta viljakeha ega spoore, vaid kanduvad edasi seene hüüfidega, mis on tunginud peremeestaime seemnetesse. Kuna nii levivate seente reproduktiivsus on tihedalt seotud peremeestaime reproduktiivsusega, on nad üldjuhul taimedega mutualistlikes suhetes. Taime seemnetega (vertikaalselt) levivad endofüüdid üldiselt nakatavad taimi süsteemselt (kogu taime piires), horisontaalselt edasikanduvate endofüütide nakkused jäävad tihti ainult taime mingi osa piiresse – kujuneb lokaalne nakkus. Taimedest isoleeritavate endofüütide hulgas on tavaliselt kõige rohkem endofüütseid seeni. Nad on taimedes tavalised ja väga suure liigilise mitmekesisusega. Igast olemasolevast taimeliigist võiks leida vähemalt ühe endofüütse seeneliigi, kuid tõenäoliselt ka rohkem. Erinevalt mükorriissetest seentest, keda leidub vaid taimede juurtes, koloniseerivad endofüütsed seened peamiselt taime maapealset osa. Endofüüdid erinevad mükorriissetest seentest veel selle poolest, et nad ei moodusta taimede juurtes olles juureväliseid struktuure, vaid elavad üleni taime sees. Endofüütsed seened saab jagada kahte suurde gruppi: endofüüdid sugukonnast tungalteralised (Clavicipitaceae) ja mittetungalteralised (mitte-Clavicipitaceae) endofüüdid. Lähtuvalt morfoloogiast, levimise moodusest, taimekudede nakatamise ulatusest ja eelistatavast kasvukohast taimes (juur või maapealsed osad) saab endofüütsed seened jagada veel nelja eraldiseisvasse klassi. Tungalteraliste (Clavicipitaceae) sugukonda kuuluvad kõrreliste heintaimede endofüüdid kottseente (Ascomycota) perekondadest Epichloë ja Neotyphodium. Kanduvad edasi põhiliselt vertikaalselt ja nakatavad taimi süsteemselt. Sellesse klassi kuuluvaid endofüüte on kõige rohkem uuritud. Need toodavad toksilisi ühendeid (tungaltera alkaloide) ja võivad herbivoorsetel imetajatel põhjustada ergotismi – sellest tulenevalt on neid peetud taimi herbivoorluse eest kaitsvateks mutualistideks. Imetajatele mittetoksilised tüved on kasutuses põllumajanduses, suurendades nakatatud taimede vastupidavust herbivoorsete putukate ja ka abiootiliste stresside suhtes. Endofüüdid, kes kuuluvad enamuses kottseente (Ascomycota) hõimkonda, vähemuses kandseente (Basidiomycota) hõimkonda, kuid mitte kottseente perekondadesse Epichloë ja Neotyphodium. Need erinevad I klassi endofüütidest selle poolest, et koloniseerivad lisaks taime maapealsetele osadele ka maa-aluseid osi ehk risosfääri. Kanduvad edasi horisontaalselt või vertikaalselt koos taime seemnekestadega või risoomiga. II klassi endofüütide seas on seeni, kes suudavad parandada läbi oma keskkonnakohastumuslike omaduste ka peremeestaimede vastupidavust. Taimed, kes kasvavad ebasoodsates elupaikades (kõrge temperatuur, suur soolsus, põud jne), on tihti nakatunud selliste endofüütidega. Näiteks seeneliik Curvularia protuberata, kes koloniseerib geotermilistes piirkondades kasvavate taimede Dichanthelium lanuginosum kõiki mitteembrüonaalseid kudesid, annab taimedele suurema temperatuuritaluvuse. Kui nad kasvavad eraldi, mittesümbiootiliselt, siis ei saa ei taim ega ka seen kasvada temperatuuridel üle 40 °C, kuid olles sümbioosis, suudavad taluda koos temperatuure kuni 65 °C. Nakatades sama endofüüdiga teisi taimi, saab suurendada ka nende temperatuuritaluvust. Siia kuuluvad endofüüdid, kes koloniseerivad põhiliselt ainult taimede maapealseid osi, kanduvad edasi horisontaalselt ja põhjustavad tugevalt lokaaliseerunud infektsioone. Sarnaselt II klassi endofüütidega kuulub enamik III klassi endofüütidest hõimkondadesse Ascomycota või Basidiomycota. Nad paljunevad suguliselt või mittesuguliselt surnud või vananevates taimekudedes eoste, koniidide või hüüfifragmentide abil, mis kanduvad edasi herbivooride, tuule või vihmaga. III klassi endofüüte võib leida nii troopilistest, boreaalsetest kui ka arktilistest/antarktilistest bioomidest, nii troopiliste puude lehtedest, sammaltaimedest, osjadest, sõnajalgtaimedest, okaspuudelt, puit- ja rohttaimedest, puidust, õitest, viljadest (...). Nad on väga mitmekesine grupp nii peremeestaimede kui ka endofüütide liigilise koostise poolest. Näiteks Panama troopilistes metsades, kus tüüpiliselt 100% puittaimede lehtedest sisaldab endofüüte, võib ühes lehes olla isegi kuni 2 mm2 kohta üks eraldi liik ja puuleht võib sageli sisaldada kümneid liike. Sama puu erinevad lehed võivad sisaldada üsna erinevaid endofüüdikooslusi. Ühes taimes võib olla sadu liike ja ühes taimeliigis kogu tema kasvupiirkonna ulatuses võib leida tuhandeid liike selle klassi endofüüte. Taimede juurtes elavad peamiselt kottseente (Ascomycota) hõimkonda kuuluvad endofüütsed seened. Neid on varem kutsutud ka "pseudomükorriisseteks seenteks". Nad moodustavad taimede juurtes tumedaid melaniniseerunud struktuure (inter- ja intratsellulaarseid hüüfe, mikrosklerootsiume). Vähe uuritud põhiliselt aseksuaalsed seened, kes kanduvad edasi tõenäoliselt horisontaalselt koniidide või hüüfidega. IV klassi endofüüte on leitud enam kui 600 taimeliigilt, sealhulgas mükoriisat mittemoodustavatelt taimedelt. Selgitused tabelile: Keskkonnakohastumuslik sümbioos (habitat adapted symbiosis) on nähtus, kus sümbiont parandab läbi oma kohastumuslike omaduste mingi keskkonnamõjuri suhtes ka oma peremehe vastupidavust nende mõjurite vastu. Näiteks sama endofüütne seeneliik, mida võib leida suure soolsusega kasvukohtades kasvavatelt taimedelt ja taimedelt, mis kasvavad geotermilistes piirkondades, annab peremeestaimedele parema kohastumuse kasvukeskkonna spetsiifiliselt – suure soolsusega kasvukohtades isoleeritud endofüüt annab taimedele parema vastupanuvõime soolsuse vastu ning geotermilistest piirkondades isoleeritud endofüüt kõrge temperatuuri vastu, kuid kuigi on tegu sama endofüütse seeneliigiga, ei anna see liik taimedele suuremat vastupidavust oma esialgsest kasvukohast erinevate tingimuste vastu, vaid on kohastunud ainult oma algse kasvukeskkonna tingimuste suhtes. Tabelis "laiaulatuslik" ja "piiratud" on sünonüümsed vastavalt: "süsteemne infektsioon" ja "lokaalne infektsioon" Taksonoomiliselt ja funktsionaalselt väga mitmekesine kuid samas vähe uuritud grupp. Endofüütseid baktereid võib leida taimedest nii rakkude vahelt, rakkude seest kui ka juhtkudedest. Mitmetel endofüütsetel bakteritel on omadus tõrjuda oma sekundaarsete metaboliitide abil taimedele patogeenseid mikroorganisme ning nad on ka leidnud rakendust agronoomias pestitsiidide alternatiivina. Vahel liigitatakse endofüütsete bakterite alla ka liblikõieliste lämmastikku fikseerijad mügarbakterid – kuigi nad elavad taime sees ehk endofüütselt, siiski mõned autorid ei pea neid endofüütideks, kuna nad moodustavad taimel juuremügaraid ehk seega – põhjustavad nähtavaid sümptomeid, mis ei sobi definitsioonilt endofüütide alla. Mõned bakterid toodavad ka taimekasvu ergutavaid hormoone – auksiine, tsütokiniine, giberelliine Endofüütsed bakterid sisenevad taimedesse peamiselt risosfääris ehk juurte kaudu, tihti tõenäoliselt juba idujuurte kaudu. Samuti võivad nad taime siseneda veel ka läbi idulehtede, õhulõhede või mehaanilisel vigastamisel tekkinud pindmiste kahjustuste kaudu. Bakterid, nagu seenedki, võivad kanduda edasi ka vertikaalselt: taime seemnetega vanemalt järglasele. Taime sisenenult, olenevalt bakteriliigist, jäävad nad seal kas lokaliseerituks või levivad kudedes kogu taime piires. On näidatud, et bakteripopulatsioonid taimedes võivad erineda väga suurel määral sõltuvalt taime kasvukohast, taime koe tüübist, taime vanusest ja muudest teguritest. Üldiselt on bakteripopulatsioon taimes suurem taime juurtes ja väiksem varres ja lehtedes (populatsiooni tihedus väheneb taime ladva suunas). Lisaks bakteritele on taimedest leitud ka arhebaktereid Taimekudedest võib leiduda ka endofüütseid vetikaid. Näiteks üks hõlmikpuust (Ginko biloba) leitud rohevetiktaimede (Chlorophyta) hõimkonda ja Trebouxiophyceae klassi kuuluv üherakuline vetikas. On leitud, et vetikad võivad olla endofüütideks ka teistele vetikatele, näiteks Acrochaete operculata (Chlorophyta), kes elab vetikas Chondrus crispus (Rhodophyta). Samuti mõned pruunvetikad, kes elavad vetikates Laminaria ssp. Endofüütidena teistest vetikatest on ka leitud ränivetikaid ehk diatomeesid Vetikatest on leitud veel ka mitmeid endosümbiontseid baktereid ja seeni. Endofüüte nähakse tihti kui taimedele kasulikke, mutualistikke endosümbionte, kes kaitsevad taimi kahjurite ja ebasoodsate keskkonnatingimuste eest. On näidatud, et teatud endofüüdid suurendavad taimede põuataluvust, lisaks veel külma, kuuma, liigsoolsuse taluvust, suurendavad vastupanu võimet patogeenide suhtes, vähendavad herbivoorlust, suurendavad taimede üldist produktsiooni ja reproduktiivsust. Kuigi mitmel juhul see ongi nii, on pakutud välja et taime-endofüüdi suhted võiksid pigem olla kontiinum mutualismist neutraalseni kuni parasitismini ning suhte iseloom sõltub keskkonnatingimustest ja muudest teguritest (nt taime vanus, füsioloogilised muutused, toitained). Vertikaalselt edasikanduvad süsteemseid nakkusi põhjustavad endofüüdid kalduvad olema rohkem mutualistid, kuna nad sõltuvad suuresti oma peremeestaimest ning horisontaalse levikuga lokaalseid nakkusi põhjustavate hulgas võiks rohkem olla neutraalseid interaktsioone. Endofüüdid toodavad mitmesuguseid keemilisi ühendeid, millest paljudel on patogeene tõrjuv, antibiootiline toime. On leitud ka vähivastase toimega ühendeid: näiteks üks himaalaja jugapuult (Taxus wallachiana) leitud endofüütne seen, Pestalotiopsis microspora, toodab vähiravimina kasutatavat paklitakseeli (taksool). On näidatud, et sama seen suudab ka lagundada looduses raskesti lagunevat polüuretaani ning teisi tehislikke polümeere ja plastikuid, olles kasutatav bioremdiatsioonil. Palju on uuritud endofüütide kasutusvõimalusi ka agronoomias, põhiliselt sünteetiliste pestitsiidide alternatiivina. On leitud, et taimede inokuleerimine teatud endofüütidega võib anda neile suurema vastupanuvõime haigustekitajate suhtes. Mitmed majanduslikult olulised sööda- ja heintaimed (aruhein, raihein) kannavad endas endofüüte (Neotyphodium spp., Claviciptaceaea), mis on näidatud parandavat nende vasupidavusvõimet põua, samuti ka kahjurputukate ja herbivooride suhtes. Endofüütsed seened omavad perspektiivi ka biokütuste tootmisel. Näiteks ühe Patagoonia vihmametsades kasvava puu, tšiili kuisma (Eucryphia cordifolia) lehtedest leitud endofüütne seen (Gliocladium roseum) suudab tselluloosist ning teistest süsinikuallikatest hapnikuvähestes tingimustes toota tavaliselt diislikütuse koostises olevaid ühendeid – "mükodiislit". Endofüüte saab määrata mitmel viisil, tavaliselt amplifitseerides ja sekveneerides lühikest lõiku DNA-d. Parima tulemuse annab kombineerides morfoloogia põhjal määramist ja DNA analüüside tulemusi. Mõningaid endofüüte saab kasvatada taimetükist kultuurina kasvusubstraadil ja on ka neid mida kultuuri viia ei õnnestu. Kultuuri viidavad endofüüdid kasvavad kasvusubstraadil taimetükist välja ning liiguvad edasi substraadile, millest saab võtta tükikese endofüüdi liigi määramiseks. Rohttaimede endofüüdid on vaadeldavad ~400 X suurendusega mikroskoobiga. Hyde, K. D., Soytong, K. (2008) The fungal endophyte dilemma. Fungal Diversity, 33, 163–173 Schulz, B. & Boyle, C. (2005) The endophytic continuum. Mycological Research, 109, 661–686 Dreyfuss, M. M. & Chapela, I. H. (1994) Potential of fungi in the discovery of novel, low-molecular weight pharmaceuticals. /Raamatust: Gullo, V.P.,The Discovery of Natural Products with Therapeutic Potential. Butterworth-Heinemann, Boston, 49–80 http://www.endobiodiversity.org/what-are-these-things Rodriguez, R. J., White Jr, J. F., Arnold, A. E., Redman. R. S. (2009) Fungal endophytes: diversity and functional roles. New Phytologist, 182, 314–330. Partida-Martínez, L. P., Heil M., (2011) The microbe-free plant: fact or artifact? Front. Plant Sci.2:100 Krings, M., Taylor, T. N., Hass, H., Kerp, H., Dotzler, N. & Hermsen, E. J. (2007) Fungal Endophytes in a 400-million-yr-old Land Plant: Infection Pathways, Spatial Distribution, and Host Responses. New Phytologist, 174, 648–657. Arnold, A. E., Mejía, L. C., Kyllo, D., Rojas, E.I., Maynard, Z., Robbins, N., Herre, E. A. (2003) Fungal endophytes limit pathogen damage in a tropical tree. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 100: 15649–15654. Faeth, S. H. ja Fagan, W. F. (2002) Fungal Endophytes: Common Host Plant Symbionts but Uncommon Mutualists. Integr. Comp. Biol., 42 (2): 360–368 Rodriguez, R. J., Henson, J., Volkenburgh, E. Van, Hoy, M., Wright, L., Beckwith1, F., Kim, Yong-Ok & Redman, R. S. (2008) Stress tolerance in plants via habitat-adapted symbiosis.The ISME Journal 2, 404–416 http://news.sciencemag.org/2006/08/fungi-helps-grass-beat-heat Rodriguez, R. J., White Jr, J. F., Arnold, A. E., Redman. R. S. (2009) Fungal endophytes: diversity and functional roles. New Phytologist, 182, 314–330. Rodriguez RJ, Henson J, Van Volkenburgh E, Hoy M, Wright L, Beckwith F, Kim YO, Redman RS. (2008) Stress tolerance in plants via habitat-adapted symbiosis, The ISME Journal, 2, 404–416. Patil, N. B., Gajbhiye, M., Ahiwale, S. S., Gunjal, A. B., Kapadnis, B. P.(2011) Optimization of Indole 3­acetic acid (IAA) production by Acetobacter diazotrophicus L1 isolated from Sugarcane. International Journal of Environmental Sciences Vol 2, No 1, 295–302 "Arhiivikoopia". Originaali arhiivikoopia seisuga 21. oktoober 2013. Vaadatud 20. oktoobril 2013.{{netiviide}}: CS1 hooldus: arhiivikoopia kasutusel pealkirjana (link) Ferreira, A., Quecine, M. C., Lacava, P. T., Oda, S., Azevedo, J. L., Araújo, W.L, (2008) Diversity of endophytic bacteria from Eucalyptus species seeds and colonization of seedlings by Pantoea agglomerans.FEMS Microbiol Lett, 287(1), 8–14 López-López, A., Rogel, M. A., Ormeno-Orrillo, E., Martínez-Romero, J., Martínez-Romero, E., (2010) Phaseolus vulgaris seed-borne endophytic community with novel bacterial species such as Rhizobium endophyticum sp. nov. Systematic and Applied Microbiology, 33, 322–327 Zinniel, D. K., Lambrecht, P., Harris, N. B., Feng, Z., Kuczmarski, D., Higley, P., Ishimaru, C. A., Arunakumari, A., Barletta, R. G., Vidaver1, A. K. (2002) Isolation and Characterization of Endophytic Colonizing Bacteria from Agronomic Crops and Prairie Plants. Appl Environ Microbiol, 68(5), 2198–2208 Ma, B., Lv, X., Warren, A., Gong. J.(2013)Shifts in diversity and community structure of endophytic bacteria and archaea across root, stem and leaf tissues in the common reed, Phragmites australis, along a salinity gradient in a marine tidal wetland of northern China. Antonie van Leeuwenhoek 104, Issue 5, 759–768 Trémouillaux-Guillermo, J., Rohr, T., Rohr, R., Huss, VAR (2002) Discovery of an endophytic alga in Ginkgo biloba. American Journal of Botany, 89, (5), 727–733 Correa, J. A. & McLachlan, J. L. (1994) Endophytic algae of Chondrus crispus (Rhodophyta). V. Fine structure of the infection by Acrochaete operculata (Chlorophyta) Ellertsdóttir, E. & Peters, A. F. (1997) High Prevalence of infection by endophytic brown algae in Populations of Laminaria spp. (Phaeophyceae). Marine Ecology Progress Series, 146, 135–143. Okamoto, N., Nagumo, T., Tantaka, J., Inouye, I., (2003) An endophytic diatom Gyrosigma coelophilum sp nov lives inside the red alga Coelarthrum opuntia. Phycologia. 42(5): 498–505. Colombo, P. M. (1978) Occurrence of endophytic bacteria in siphonous algae. Phycologia, Vol. 17, No. 2, 148–151 Gao, S., Li, X., Du. F., Li, C., Proksch, P. & Wang, B. (2011) Secondary Metabolites from a Marine-Derived EndophyticFungus Penicillium chrysogenum QEN-24S. Mar. Drugs, 9, 59–70 Saikkonen, K., Faeth, S. H., Helander, M., Sullivan, T. J., (1998) FUNGAL ENDOPHYTES: A Continuum of Interactions with Host Plants Annual Review of Ecology and Systematics Vol. 29: 319–343 DOI: 10.1146/annurev.ecolsys.29.1.319 Rajendran, L., Rajagopal, K., Subbarayan, K., Ulagappan, K., Sampath, A. and Karthik, G. (2013) Efficiency of fungal taxol on human liver carcinoma cell lines. American Journal of Research Communication, Vol 1(6), 112–121 Strobel G., Yang X., Sears J., Kramer R., Sidhu R. S., Hess W. M., (1996) Taxol from Pestalotiopsis microspora, an endophytic fungus of Taxus wallachiana. Microbiology, 142, (Pt 2): 435–40 Russell, J. R., Huang, J., Anand, P., Kucera, K., Sandoval, A. G., Dantzler, K. W., Hickman, D., Jee, J., Kimovec, F. M., Koppstein, D., Marks, D. H., Mittermiller, P. A., Núñez, S. J., Santiago, M., Townes, M. A., Vishnevetsky, M., Williams, N. E., Vargas, M. P. N., Boulanger1, Lori-A. Bascom-Slack, C., and Strobel, S. A. (2011) Biodegradation of Polyester Polyurethane by Endophytic Fungi. Appl. Environ. Microbiol., vol. 77, no. 17, 6076–6084 Ownley, B. H., Gwinn, K. D., & Vega, F. E. (2010) Endophytic fungal entomopathogens with activity against plant pathogens: ecology and evolution. Biocontrol, 55(1), 113–128 http://www.greencarcongress.com/2008/11/newly-discovere.html Strobel, G. A., Knighton, B., Kluck, K., Ren, Y., Livinghouse, T., Griffin, M., Spakowicz, D., Sears, J. (2008) The production of myco-diesel hydrocarbons and their derivatives by the endophytic fungus Gliocladium roseum (NRRL 50072). Microbiology, 154, part 11, 3319–3328. http://www.loodusajakiri.ee/eesti_mets/artikkel853_839.html Silmale varjatud elurikkus: endofüüdid Eesti Loodus, nr 8/2010 Superseen aitab riisi kasvu kiirendada Postimees, 11. juuni 2010 Külvad seeni, lõikad riisi Postimees, 21. september 2012 Vihmametsast leitud seen sünteesib diislikütust Eesti Mets, nr 4/2008