| Patrycja Rzemyk |
Szczęście i bakterie mają jedną wspólną cechę; mnożą się przez dzielenie
Rutwik Oza
Długo jako ludzkość żyliśmy w przekonaniu, że natura jest naturą, a my, ludzie, jesteśmy ponad nią. Potrafimy już prawie wszystko odtworzyć w laboratorium czy nawet stworzyć organizmy lepsze od naturalnych. Niestety, daleko nam do tego. Ingerencja człowieka w środowisko przyczyniła się do wyprodukowania ogromnej ilości toksycznych odpadów, zmniejszenia zasobów naturalnych, zanieczyszczenia wód, gleb i powietrza. Musimy sobie uświadomić, że choć oczywiście naukowcy zdziałali wiele dobrego, gdzieś po drodze popełniliśmy błąd. W swoich rozważaniach chcę się zatrzymać na sektorze rolnictwa, kwestii upraw i rekultywacji, czyli przywracania stanu użytkowości terenom zanieczyszczonym.
Na rynku mamy zatrzęsienie przeróżnych sztucznych nawozów, ulepszaczy do gleb czy specjalistycznych mieszanek, które mają sprawić, że nasze uprawy będą wolne od chorób, szkodników i nie będą wrażliwe na zmiany pogodowe. Nikt nam jednak nigdy nie da gwarancji, że preparaty te będą w 100% skuteczne. Innym problemem jest to, że ludzie nie stosują się do szczegółowych instrukcji dołączonych do preparatów. Konsekwencją nieodpowiedzialnego stosowania nawozów syntetycznych są zanieczyszczenia środowiska, rozrost superchwastów czy powstawanie „martwych stref” (nadmiar fosforu i azotu powoduje toksyczne zakwity glonów i sinic, a te pozbawiają tlenu inne organizmy i doprowadzają do ich wyginięcia) w wodnych ekosystemach.
W naszym otoczeniu znajduje się ogromna liczba drobnoustrojów, także tych złych, choć one wcale nie przeważają. W samym organizmie człowieka jest około 2 kg drobnoustrojów. Dane te robią wrażenie, zwłaszcza że drobnoustroje są nam niezbędne do życia. Skoro każdy człowiek ma ich tak wiele, to czy inne byty, w tym rośliny, też mają drobnoustroje? Odpowiedź na to pytanie jest oczywiście twierdząca. Skoro wiemy już, że konkretne drobnoustroje towarzyszą roślinom, możemy tę wiedzę wykorzystać.
„Modne” stało się choćby szukanie wspomagaczy naturalnych w sektorze rolnictwa i rekultywacji. Niczym superbohaterowie na ratunek roślinom przybywają endofity. Te mikroorganizmy mogą należeć do grup takich jak bakterie czy grzyby. Zasiedlają przestrzenie międzykomórkowe lub wnętrza komórek tkanek roślinnych. Ci mali przyjaciele roślin kolonizują ich wnętrze, ale nie wywołują objawów chorobowych. Powstaje mutualistyczny związek roślinno-bakteryjny, czyli symbioza; oba gatunki czerpią z tego związku korzyści. Ale co bakterie endofityczne mają wspólnego z nawozem naturalnym/biologicznym? Otóż od lat prowadzone są badania nad wykorzystaniem tych bakterii jako wspomagaczy dla roślin. Dotychczas wykazano, że te mikroorganizmy wpływają pozytywnie na ogólną kondycję roślin, promocję wzrostu roślin, wspomagają reakcje obronne roślin na ataki patogenów.
Bakterie endofityczne można podzielić na: 1) obligatoryjne, czyli takie, który cały swój cykl życiowy mają ściśle związany z zasiedlanymi roślinami, 2) fakultatywne, czyli takie, które mogą występować i rozwijać się zarówno we wnętrzu rośliny, jak i w ryzosferze (strefie przykorzeniowej roślin), oraz 3) oportunistyczne, żyjące w tkankach roślin tylko w określonych warunkach. Endofity można też podzielić ze względu na drogi ich przenoszenia i wnikania do rośliny – za pomocą aparatów szparkowych, znajdujących się w liściach, w drodze przenoszenia przez zapylacze (owady) oraz w procesie kolonizacji korzeni.
Jaką rolę odgrywają endofity w roślinach? Bakterie ułatwiają roślinom pobieranie ze środowiska azotu, fosforu i żelaza. Składniki te wpływają korzystnie na rozwój całej rośliny oraz na jej kwitnienie i zwiększenie plonów. Mają także wpływ na gospodarkę hormonalną gospodarza roślinnego, mogą na przykład wytwarzać takie fitohormony jak auksyna, która odpowiada za rozwój korzeni, cytokinina, odpowiedzialna za rozwój pędu, czy etylen, który bierze udział w procesie starzenia się roślin. Endofity mają również zdolność do zmiany pH gleby, jej struktury, wpływają na produkcję tlenu czy wspomagają rośliny podczas suszy.
Dokładnie to co robią sztuczne nawozy z taką różnicą, że ilość dostarczanych składników jest adekwatna do zapotrzebowania, tym sposobem nie powstają zanieczyszczenia środowiska. Mikroorganizmy te, ograniczają również negatywne oddziaływania chorobotwórcze bakterii, grzybów i nicieni na roślinę. Endofity wytwarzają antybiotyki i cyjanowodór, które hamują wzrost patogenów.
Ponadto mikroorganizmy, jakimi są endofity, biorą udział w fitoremediacji, czyli w procesie oczyszczania środowiska, ponieważ potrafią wspomóc roślinę żyjącą w skrajnych warunkach. Tym samym biorą udział w rekultywacji terenów, na przykład poprzemysłowych.
Skoro związek roślin z endofitami ma charakter symbiotyczny, to co endofity dostają od roślin? Zyskują niszę do zasiedlenia, czyli przestrzeń oraz źródło substancji odżywczych. Takie profity bakteriom w zupełności do życia wystarczą.
Zrozumienie korzyści płynących ze związków roślinno-bakteryjnych nasuwa pytanie: Dlaczego dotąd nie wycofano z rolnictwa sztucznych nawozów i nie wprowadzono w zamian mieszanek zawierających tylko endofity? Niestety, pomimo wielu lat badań nie poznano wszystkich konsekwencji symbiozy roślina – endofit. Ta wielowymiarowa interakcja nie została przez nas dotychczas wnikliwie zbadana. Niewystarczająca ilość informacji uniemożliwia wykorzystanie tych drobnoustrojów na szerszą skalę. Dodatkową trudność stanowi to, że hodowla endofitów może być niezwykle trudna lub wręcz niemożliwa, niektóre mikroorganizmy są formami niehodowlanymi. Do badań endofitów wykorzystuje się często techniki biologii molekularnej, na przykład PCR czy sekwencjonowanie i analizy bioinformatyczne, które pozwalają na identyfikację zarówno hodowlanych, jak i niehodowlanych organizmów.
Naukowcy są na dobrej drodze, by dokładnie poznać procesy wnikania drobnoustrojów do roślin i ich kolonizacji przez te drobnoustroje. Umożliwi to w przyszłości zastąpienie endofitami pestycydów i nawozów sztucznych. Liczne badania pozwoliły na wyciągnięcie wniosku, że praktycznie każda roślina jest zasiedlana w jakimś stopniu przez endofity, które ją wspomagają. Nie wiemy jednak jeszcze, jak doprowadzić do zmaksymalizowania liczby tych endofitów do tego stopnia, by mogły one w pełni zastąpić nawozy sztuczne. Na razie w sferze marzeń pozostaje stworzenie mieszanki endofitów, która sama szybko się będzie się adaptowała do danej gleby i warunków. Dzięki stosowaniu takiej mieszanki będziemy mogli ograniczyć ilość toksyn, które przedostają się do środowiska i żywności, i sprawniej dokonywać rekultywacji terenów. Może mieć to wpływ na zmniejszenie liczby chorób i alergii u ludzi.
Obserwacja mikroorganizmów, które z pozoru nie mają wielkiego wpływu na swoje otoczenie, przyniosła zaskakująco dobre wyniki. Oddziaływanie endofitów na inne organizmy jest bardzo duże, a fakt, że ich pozytywny wpływ może być jeszcze większy, napawa optymizmem. Aktualnie prowadzone badania nie skupiają się już na tym, czy te drobnoustroje mają pozytywny wpływ na rośliny, ale jak dobierać gatunki mikroorganizmów do gatunków roślin, aby otrzymywać jak najlepsze wyniki uprawy – jak zwiększać plony, wspomagać wzrost roślin, poprawiać ich kondycję. Rokowania są bardzo dobre, a ogólnoświatowa presja dotycząca zmian w ochronie środowiska motywuje naukowców i sprzyja rozwojowi badań.
Literatura uzupełniająca
Afzal I., Shinwari Z.K., Sikandar S., Shahzad S., Plant Beneficial Endophytic Bacteria: Mechanisms, Diversity, Host Range and Genetic Determinants. Microbiological Research, „Microbiological Research” 2019, vol. 221, s. 36–49, https://doi.org/10.1016/j.micres.2019.02.001.
Dini-Andreote F., Endophytes: The Second Layer of Plant Defense, „Trends in Plant Science” 2020, vol. 25, s. 319–322, https://doi.org/10.1016/j.tplants.2020.01.007.
Oukala N., Aissat K., Pastor V., Bacterial Endophytes: The Hidden Actor in Plant Immune Responses against Biotic Stress, „Plants” (Basel) 2021, May 19, vol. 10(5), s. 1012, https://doi.org/10.3390/plants10051012, PMID: 34069509; PMCID: PMC8161118.
Patrycja Rzemyk
Biotechnolog medyczny. Obecnie pracuje na stanowisku Młodszego asystenta laboratoryjnego w Śląskich Laboratoriach Analitycznych. Na co dzień wspiera pracownie hematologii, koagulologii i analityki ogólnej. Dzięki zdobytej wiedzy świetnie czuje się w każdym laboratorium.
Tytuł magistra uzyskała na Uniwersytecie Opolskim. Jej praca dyplomowa dotyczyła dziedziny bioinformatyki, a dokładniej programu w języku Java, jako narzędzia w tworzeniu receptur piwowarskich, w tym narzędzia pomagającego dobrać rodzaj i ilość drożdży.
Uniwersytet Śląski otworzył jej drzwi do świata nauki. To na UŚ zdobyła pierwszy tytuł zawodowy licencjata kierunku biotechnologia, z doświadczeniem w izolacji kwasów nukleinowych, przygotowywania próbek do reakcji PCR i metod mikrobiologicznych. Podczas studiów uzyskała niezbędną wiedzę z zakresu biologii molekularnej oraz genetyki, potrzebną do pracy w laboratoriach diagnostycznych, badawczych oraz kontrolnych. Uczestniczyła w badaniach mikrobiologicznych i parazytologicznych próbek osadów ściekowych, ścieków, gleb i odpadów.
Współtwórczyni Interdyscyplinarnego Koła Naukowego Przyrodników „Planeta”. Przewodnicząca Sekcji Fizjologii Roślin, dumny członek Sekcji Mikrobiologicznej. Wielokrotny wystawca podczas Śląskiego Festiwalu Nauki KATOWICE oraz Studenckiego Festiwalu Nauk na Śląsku. Należała do Międzywydziałowego Samorządu Studenckiego. Członek Rady Samorządu Studenckiego Nauk Matematyczno-Przyrodniczych w Katowicach.
Prywatnie szczęśliwa żona i mama Bartusia. Pasjonuje się kryminalistyką, mikrobiologią i tańcem. Ukończyła kursy z kryminalistyki sądowej, wypiła litry stworzonego przez siebie piwa oraz zajęła miejsce na podium w Ogólnoświatowym Konkursie Rock’n’Rolla.
Patrycja Rzemyk | fot. archiwum prywatne