Zahlavi

Partnerství na celý život: tajný svět spletitých vztahů hub a rostlin

29. 04. 2022

Před miliony let umožnily houby rostlinám přechod z vody na souš a v obstarávání těžko dostupných živin jim pomáhají dodnes. Svým hostitelům jsou nápomocní také v překonávání stresu. Jak vypadá partnerství hub a rostlin, jak spolu komunikují a vyměňují si důležité látky? Tématu jsme se věnovali v časopise A / Věda a výzkum.

Když v roce 1885 zkoumal německý přírodovědec Albert Bernhard Frank možnosti pěstování lanýžů v Pruském království, přišel na pozoruhodnou věc. Zjistil, že kořeny mnoha druhů stromů jsou zvenčí i zevnitř propleteny s houbami, vzájemně si zjevně neškodí, naopak jim vztah spíše prospívá. Fenomén nazval mykorhizou (mykes znamená řecky houba, rhiza kořen). Německý učenec už tehdy správně odhadl, že vlákna podhoubí doplňují kořenový systém rostlin a mezi oběma partnery dochází k pravidelné výměně látek. Podivil se, že se tak četnému a zajímavému jevu dosud nevěnovala náležitá pozornost.

Útvary pozorované už před více než 130 lety Albertem Bernhardem Frankem na kořenech dřevin byly okem viditelné. Tvořily je velké houby – lanýže se řadí mezi vřeckovýtrusné houby, symbiózu ale s oblibou vytvářejí také stopkovýtrusné houby, mezi něž patří většina známých lesních hub včetně hřibů. Ostatně o úzké spolupráci hub a stromů svědčí i názvy jako hřib smrkový nebo křemenáč březový.

Tento druh symbiózy je sice nejznámější, ale není nejčastější. Jejím zdaleka nejrozšířenějším typem je arbuskulární mykorhiza. Není vidět, protože se na ní podílejí mikroskopické houby, ale týká se naprosté většiny našich bylin včetně zemědělských plodin a některých dřevin.

Partnerství na stovky milionů let
Když se v období ordoviku a siluru před více než 420 miliony let rostliny přesouvaly z vody na souš, neměly dostatečně vyvinutý kořenový systém. Zdá se, že to byly právě houby, kdo jim se změnou životního stylu kolonizací nového prostředí významně pomohl. Zjednodušeně se dá říct, a platí to i dnes, že velmi tenká vlákénka podhoubí (mycelia) rozšířila kořenový systém rostlin. Mycelium si představme jako podzemní spletitou síť velmi tenkých vláken, měřících průměrně tři až čtyři pikometry. Vlákna nejenže obklopují kořínky rostliny, ale dokonce prorůstají dovnitř. Jedná se tedy o velmi blízké až intimní partnerství.

„Jde o oboustranně výhodný vztah, kdy houba dodává rostlinám živiny a rostliny zase na oplátku houbám uhlíkaté látky. Houba vychytá živiny i z velmi malých půdních pórů a mycelium se rozrůstá rychleji než kořeny rostlin,“ vysvětluje Martina Janoušková, vedoucí oddělení mykorhizních symbióz Botanického ústavu AV ČR.

Jak si máme houby podílející se na arbuskulární mykorhize představit? Především jde o rozsáhlou a bohatou síť mycelia v podzemí. V půdě se i dlouhá léta mohou nacházet takzvané spory (kuličky obsahující zárodky houbového života ve formě jader). Dokážou v zemi vydržet nezávisle na rostlině, přečkají období delšího sucha, a jakmile nastanou vhodné podmínky a objeví se partnerská rostlina, aktivují se. Ze spor pak vyrostou hyfy (vlákna), které mají za úkol najít kořen rostliny.

Pokud se jim to nepodaří, po nějaké době odumřou. Když uspějí, vytvoří vějířky rozprostřené po povrchu kořene. Vějířkovité útvary začnou prorůstat buňkami svrchní vrstvy až do buněk primární kůry kořene. Následně houba vroste pod buněčnou stěnu, kde vytváří keříčky zvané arbuskule (právě podle nich se tento druhu mykorhizy nazývá). Arbuskule jsou těsně obaleny cytoplazmatickou membránou hostitele, a právě v těchto místech nejbližšího spojení obou partnerů dochází k nejintenzivnější výměně látek. Jakmile začne rostlina houbu krmit uhlíkem, rozroste se z kořenů do půdy rozsáhlá síť vlákének mycelia.

Život v udergroundu
K takto blízké spolupráci dochází výhradně pod zemí. Nejvíce aktivní je v mladých kořenech, když se rostlina vyvíjí a akutně potřebuje dostatečný příjem minerálních živin. Jde zejména o fosfor, ale i dusík, zinek a měď, jež rostlina z půdy nezvládá získat v dostatečném množství. Proč to sama neumí?

Ukažme si to na příkladu fosforu. Rostliny i houby ho přijímají zejména ve formě fosfátového iontu (H2PO4-), který se silně váže na povrchy půdních částic, je v půdě jen málo pohyblivý, a v blízkosti kořenů proto dochází k rychlému vyčerpání dostupných zásob. Tenoučká houbová vlákénka na rozdíl od těžkopádných kořenů rychle rostou vstříc novým zásobám, třeba i do nejmenších půdních pórů. Značnou část získaného fosforu houba uvolní ve formě fosfátového iontu do úzkého prostoru mezi arbuskulí a plazmatickou membránou rostlinné buňky. Pro příjem fosfátu mají rostliny v plazmatické membráně specializované přenašeče, které se objevují pouze v okolí houbových struktur. Úplně chybějí v případě, že se rostliny pěstují ve sterilní půdě bez přítomnosti hub.

2022-04-29_houby - pruhonice
Působení arbuskulární mykorhizy se zkoumá ve sklenících Botanického ústavu AV ČR v Průhonicích. Jednou z modelových rostlin je jitrocel kopinatý. (CC) 

Mnoho druhů rostlin, tvořících arbuskulární mykorhizu, se bez hub docela dobře obejde, pokud mají k dispozici dostatek živin. Naopak vysoce specializované houby, které tento typ mykorhizy ovládají, si uhlíkaté látky jinou formou než přes rostliny obstarat neumějí, jsou takzvaně obligátními symbionty. Spletité vztahy mezi houbami a rostlinami by se tak daly nazvat velmi nerovným partnerstvím. 

Oba jeho členové vzájemně komunikují, dávají si signály při utváření symbiózy, z nichž například rostlina pozná, že houba pronikající do kořenů není nepřítel, nýbrž přítel. Další komunikace pak probíhá formou výměny látek: toku živin od houby k rostlině a uhlíku od rostliny k houbě. Třeba v půdě přesycené živinami (typicky umělými hnojivy používanými v intenzivním zemědělství) rostlina živiny od houby potřebuje mnohem méně než v půdě chudé a dává jí to pocítit sníženým přísunem uhlíku. V takovém prostředí tedy houby živoří a mykorhiza se vůbec nemusí vytvořit.

V přírodě kolonizují kořenový systém každé rostliny různé druhy arbuskulárněmykorhizních hub, které se liší ve svých vlastnostech, například schopnosti dodávat hostitelské rostlině konkrétní živiny a získávat od ní uhlík. Z pokusů se ví, že když je rostlina obsazena dvěma druhy hub, pozná, který z nich jí poskytuje více živin. Spolehlivějšího partnera si hýčká a posílá mu více uhlíku než houbě, jež jí tolik nepomáhá. A funguje to asi i naopak. I houby kolonizují několik druhů rostlin najednou (představme si louku, kde jsou rostliny v podzemí propojeny směsí různých houbových mycelií). Zdá se, že houby směřují tok živin z půdy těm rostlinám, od nichž dostávají více uhlíku. „Existuje řada pokusů, které takovou spolupráci ukazují, nicméně přesný mechanismus na molekulární úrovni není dosud popsán,“ dodává Martina Janoušková. 

Houby proti suchu
Vedle toho, že houby své hostitele krmí živinami, pomáhají jim také překonávat stres, což je pro rostliny, které nepříznivým podmínkám na rozdíl od živočichů neumějí utéct, nesmírně důležité. Houby mohou sehrát důležitou roli například v obdobích sucha. Na výzkum vlivu arbuskulární mykorhizy v zemědělství se tak zaměřují vědecké týmy po celém světě včetně Martiny Janouškové a jejích kolegyň a kolegů.

„V jednom z dřívějších pokusů jsme sledovali, jak se přítomnost mykorhizních hub projevuje na schopnosti rostlin přijímat fosfor na širokém gradientu vlhkosti půdy. Za sucha byla úloha hub klíčová, bez nich naše pokusné rostliny prakticky nedokázaly fosfor získat,“ přibližuje David Püschel z oddělení mykorhizních symbióz. Naopak když bylo vody v půdě hodně, význam mykorhizy nebyl tak markantní.

Aktuálně vědec pracuje na podobném výzkumu, jen zaměřeném na příjem dusíku. „Opět vytvoříme půdní podmínky s různým stupněm dostupné vody, od jejího nadbytku až po výrazný deficit. Následně sledujeme, do jaké míry budou rostliny schopny přijmout dusík z organického či anorganického zdroje, který jim v tu chvíli poskytneme, a jakou roli v tom budou hrát mykorhizní houby,“ popisuje experiment ve skleníku Botanického ústavu AV ČR v Průhonicích. „Tento zdroj dusíku navíc bude značen izotopem 15N, což nám při analýze biomasy umožní kvantifikovat dusík přijatý právě během toho období života rostlin, kdy byly vystaveny suchu.“

2022-04-29_David Püschel
David Püschel z Botanického ústavu AV ČR (CC)        

Ukazuje se, že houby nejenže pomáhají rostlinám s příjmem živin, ale také do určité míry ovlivňují dostupnost vody jako takové. Dříve se vědci domnívali, že se voda k rostlinám může dostávat i uvnitř houbového mycelia podobně, jako by přitekla vodovodními trubkami. Nynější výzkum ale naznačuje, že tak to zřejmě nefunguje a mykorhiza má vliv spíše nepřímý. Přítomnost houbových struktur v půdních pórech totiž ovlivňuje fyzikální vlastnost tohoto prostředí – hydraulickou konduktivitu. „Voda se díky tomu může lépe sama šířit kapilárními silami, a dostat se tak i do blízkosti kořenových vlásků rostlin, které ji pak přijmou,“ dodává David Püschel. Pokud je sucho natolik závažné, že rostliny nemohou růst, natož ještě živit mykorhizního partnera, houba odpočívá a čeká na příznivější podmínky. Jakmile nastanou a vegetace se obnoví, dá houbám signál a ty se opět probudí k životu. 

Očkování houbou
Před několika lety vzbudil ohlas mezi vědci studujícími mykorhizu tweet Billa Gatese. Pod obrázkem kořene obaleného sporami arbuskulárněmykorhizní houby napsal, že by „mohla pomoci nakrmit hladové“. Odkázal přitom na jeden z výzkumů, který počítal s využitím hub pro zvýšení výnosů manioku, důležité tropické plodiny. Vědci v něm pracovali s možností šlechtit účinné izoláty symbiotických hub. Jak se později ukázalo, tak snadné to není. Nicméně potenciál zde je a výzkumy role mykorhizních hub v zemědělství pokračují. Většina zemědělských plodin včetně pšenice, rýže nebo kukuřice totiž tvoří arbuskulární mykorhizu a spřátelené houby zjevně dokážou zlepšit jejich růst (na rozdíl třeba od řepky olejky, která s houbami vztahy neudržuje).

Houby lze rostlinám uměle dodat takzvanou inokulací (očkováním). Očkovací látkou jsou v tomto případě houbové spory a hyfy připravené předem cílenou kultivací. Substrát s houbou se přidá do půdy nebo pěstebního substrátu. Má to však háček. Uchytí se pouze tam, kde jsou pro ni vhodné podmínky. Pokud jsou půdy přehnojené, s nadbytkem živin, přidané houby v nich funkční mykorhizu nevytvoří.

Pokusy s očkováním jsou zatím proto úspěšné spíše v půdách, kde by se houbám mohlo dařit, ale z nějakého důvodu v nich chybějí. Třeba v místech postižených silnou erozí, ale i v některých orných půdách. Vhodné pro experimenty jsou tropy nebo subtropy a půdy s nízkou dostupností fosforu. Fungovat to však může i v našich evropských podmínkách. Naopak naočkovat substrát, v němž nemají houby šanci uspět, je zbytečné. „V živinami bohatých půdách je hub málo prostě proto, že je rostliny nepotřebují. Pak nemá smysl je tam přidávat uměle,“ podotýká Martina Janoušková. 

A jsme zpět u vztahů. Rostliny a houby, které spolu po miliony let žijí v jistém druhu propleteného partnerství, si do velké míry své vazby řídí samy. Jejich způsob vzájemné komunikace nám zatím není zcela jasný, jisté ale je, že existuje. Zřejmě se zakládá na biochemických procesech, ostatně podobně jako je tomu u vztahů mezi lidmi. Přírodovědec Albert Bernhard Frank se v 19. století podivil, jak je možné, že se mykorhize nevěnuje taková pozornost, jakou by si zasloužila. Po bezmála dvou stovkách let se fenoménem zabývá mnoho vědeckých týmů po celém světě a stejně se zdá, že v chápání spletitých propletenců mezi světem rostlin a hub jsme teprve na počátku.

Text je převzatý z časopisu A / Věda a výzkum, který vydává Akademie věd ČR. Všechna dosavadní čísla jsou k dispozici zdarma a online na našem webu.

A / Věda a výzkum 3/2021
3/2021 (verze k listování) 
3/2021 (verze ke stažení)

Text: Leona Matušková, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Shutterstock, Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR

Licence Creative CommonsText a fotografie označené (CC) jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons.

 

Biologie a lékařské vědy

Vědecká pracoviště

Cílem výzkumu je poznávání procesů v živých organismech, a to na úrovni molekul, buněk i organismů. Biofyzikální výzkum se zabývá studiem vztahu DNA – protein a vlivu faktorů životního prostředí na organismy. V oblasti molekulární genetiky a buněčné biologie jsou studovány zejména signální cesty pro spouštění reakcí a odezvy cílových genů na tyto signály; zvláštní pozornost je věnována studiu buněčných mechanismů imunitních odpovědí. Sledovány jsou rovněž genomy mikroorganismů a procesy směřující k moderním technologiím přípravy látek s definovanými biologickými účinky. V oblasti fyziologie a patofyziologie savců a člověka je výzkum zaměřen na kardiovaskulární fyziologii, neurovědy, fyziologii reprodukce a embryologii s cílem vytvořit teoretické základy preventivní medicíny. V oblasti experimentální botaniky se výzkum věnuje genetice, fyziologii a patofyziologii rostlin a moderní rostlinné biotechnologii. Sekce zahrnuje 8 vědeckých ústavů s přibližně 1930 zaměstnanci, z nichž je asi 690 vědeckých pracovníků s vysokoškolským vzděláním.

Všechny výzkumné sekce