Эндофитные микроорганизмы – продуценты биологически активных веществ

Обычно эндофиты приурочены к надземным частям растений, к стеблям и влагалищам листьев [14]. По некоторым оценкам около 30% видов злаков имеют постоянного сожителя-эндофита. Оказалось, что эндофиты встречаются чаще, чем это могли предположить, и процент инфицированности ими растений в разных местах довольно высок. Зараженность полей и пастбищ может изменяться со временем, изменение зараженности объясняется конкурентным взаимодействием зараженных и незараженных растений.

Зараженность как отдельных особей популяции, так и отдельных частей растений может варьироваться в зависимости от внешних факторов, а также изменяться с течением времени. Таким образом, мицелий эндофитного гриба может присутствовать в вегетативном побеге и даже заходить во влагалище листа, однако отсутствовать в самом листе. Причины подобного распределения мицелия по растению пока не определены [14].

Сканирующие электронные  микрофотографии показывают, что  мицелий эндофита широко занимает межклеточное пространство игл бальзамической пихты. Опавшие иглы сохраняют токсикогенных эндофитов в течение достаточного времени, чтобы позволить вертикальную передачу [11].

Мицелий  грибов  рода Neotyphodium  прорастает  между клетками  растительных  тканей,  в семяпочках,  семенах растений,  за  исключением корней  и стеблей.  В семенах он  в основном располагается в алейроновом слое, а в зеленых тканях растения – в листовых влагалищах [17]. Развитие мицелия гриба-эндофита происходит в меристеме растения-хозяина, которая является благоприятной средой для развития мицелия грибов-эндофитов, так как там сосредоточены питательные вещества, в том числе сахароза. «Заражение» семян растения-хозяина происходит следующим образом. Мицелий гриба развивается  в  нуклеарном  слое  яйцеклетки  и инфицирует  развивающиеся там семена  [19].  При развитии  семени  мицелий гриба-эндофита  развивается вместе  с ним.  Ростовые  факторы растения-хозяина оказывают влияние  как на  само  растение,  так и на  присутствующий  в нем мицелий гриба-эндофита.  Такой способ  размножения грибов-эндофитов  называется  горизонтальным.  Гифы  гриба,  в основном,  проникают в межклеточные  пространства  растения-хозяина,  под давлением раздвигая межклеточные  перегородки,  так как выработка ферментов,  разрушающих эти перегородки,  может вызвать реакцию иммунной  системы растения  и вызвать последующий некроз  ткани,  «пораженной» грибом.  Проникновение грибов-эндофитов  не  вызывает  реакции со  стороны иммунной  системы растения-хозяина, что позволяет грибному мицелию развиваться беспрепятственно [20]. Таким образом, растение-хозяин является для гриба «убежищем», снабжает его питательными веществами  и возможностью  размножения,  а гриб,  в свою  очередь,  повышает  адаптационные возможности растения [10;20].

Дрожжи в целом относятся  к типичным копиотрофам, для роста и размножения которых требуется относительно высокая концентрация легкодоступных соединений. В отличие от мицелиальных грибов одноклеточные дрожжи не способны распространяться за счет апикального роста по межклеточному пространству. Однако дрожжевые клетки могут попадать внутрь растения через устьичные аппараты, гидатоды, механические микроповреждения кутикулы и эпидермы. Некоторые виды дрожжей обладают липолитической и пектинолитической активностью, что может позволить дрожжевым клеткам проникать во внутренние ткани с поверхности в результате локального разрушения кутикулы [21]. Учитывая эти особенности, можно предположить, что эндофитные дрожжи должны наиболее активно развиваться в таких растительных субстратах, которые характеризуются высоким содержанием легкодоступных питательных веществ, например, в сочных плодах, запасающих вегетативных метаморфозах, крахмалсодержащих семядолях. Микроаэрофильные условия внутри растительных тканей могут способствовать росту дрожжевых грибов, многие из которых способны к брожению. Знание масштабов распространения и закономерностей развития эндофитных дрожжей может оказаться полезным не только с точки зрения более детальных представлений об особенностях экологии этой группы грибов, но и иметь практический аспект, связанный с разработкой методов хранения и контроля качества сельскохозяйственной продукции, биоконтролем фитопатогенов [21].

Дрожжевые грибы выделяются с поверхности и из внутренних запасающих тканей большинства проанализированных плодов шиповника [21]. Сходство видового состава эпифитных и эндофитных дрожжей, а также одинаковый характер динамики отдельных видов снаружи и внутри плода говорит о том, что основной механизм попадания дрожжей в плоды - достаточно частое проникновение дрожжевых клеток через микроповреждения покровов, устьица и т.п. Известно, что случайное попадание микробных клеток в растительные ткани - достаточно обычный процесс [22]. Очевидно, попавшие в плод дрожжевые клетки способны к дальнейшему размножению в межклеточном пространстве и внутри растительных клеток. Отсутствие при этом видимых повреждений тканей плода говорит о том, что основная функция таких дрожжей - «подбор» простых сахаров без гидролиза растительных полимеров.

Следует отметить, что виды дрожжей, обилие которых на поверхности  плодов несколько больше, чем внутри, относятся к типичным эпифитам и  обладают адаптациями к эпифитному образу жизни такими, как каротиноидная пигментация или формирование мощных полисахаридных капсул. Это говорит о том, что эндофитное развитие дрожжей можно также рассматривать как проявление адаптивной стратегии избегания [22]. Считается, что возникновение истинного эндофитного образа жизни у некоторых бактерии и мицелиальных грибов связано именно с избеганием негативного влияния факторов, лимитирующих рост эпифитных микроорганизмов, прежде всего иссушения и инсоляции. С другой стороны, виды, преобладающие на поверхности - строгие аэробы, и, в отличие от способных к брожению аскомицетовых дрожжей, должны хуже развиваться в микроаэрофильных условиях в тканях плодов [21].

Другим типом растительных субстратов, в которых обнаруживаются эндофитные дрожжи, являются подземные запасающие метаморфизированные органы растений (клубни, запасающие корни, корневища, корневые шишки, луковицы). На поверхности корней, также как и на поверхности метаморфозов дрожжи присутствуют практически всегда. При этом состав доминирующих видов дрожжей в ризоплане существенно иной по сравнению с филлопланой. На поверхности корней и в ризосфере наиболее часто встречаются типичные педобионтные (Cryptococcus terricola, Cr. podzolicus) виды. При этом последние практически не обнаруживаются на надземных органах растений, тогда как эпифитные дрожжи постоянно выделяются также и с поверхности подземных вегетативных органов. При этом численность эндофитных дрожжевых грибов значительно ниже эпифитной популяции, аналогично ситуация обстоит и с видовым разнообразием [21].

1.4  Эндофиты и устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды

Способность синтезировать  метаболиты с высокой физиологической  активностью широко распространена среди эндомикоризных и фитопатогенных грибов это могут быть фитогормоны, их аналоги, микотоксины и др. О важной функциональной роли в жизни растений микоризных грибов свидетельствует их широкое распространение: все голосеменные, большинство   однодольных (75 %) и двудольных (90 %) растений  имеют микоризу.  Микоризные  грибы-эндофиты продуцируют и накапливают в мицелии фитогормоны, витамины, аминокислоты, которые используются растением. Они являются составной частью препаратов, полученных из чистых культур грибов-эндофитов [4].

Согласно данным последних  исследований,  гриб-эндофит  рода  Acremonium  продуцирует в питательную среду фитогормоны ауксиновой, цитокининовой и гибберелловой природы, а также другие вещества-индукторы ризогенеза. Среда культивирования гриба-эндофита может быть использована  для создания  комплексных регуляторов роста растений.  Длительное  культивирование (более 30 дней) гриба-эндофита рода  Acremonium   in vitro  приводит к накоплению в культуральной среде веществ-ингибиторов,  возможно, фенольной природы.  Этот факт надо учитывать при создании комплексного регулятора роста на основе экзометаболитов гриба-эндофита [23].

Сведения о способности  дрожжевых грибов к синтезу регуляторов  роста растений немногочисленны. Показано, что некоторые виды дрожжей, обнаруженные в корнях кукурузы, способны продуцировать  фитогормоны, стимулирующие развитие корневой системы [22].

Наряду  с  улучшением  ряда  хозяйственно-ценных  признаков,  эти  симбионты  могут  придавать  растениям-хозяевам и отрицательные  свойства. Грибы-эндофиты синтезируют ряд алкалоидов, которые наряду с положительным для самого растения эффектом,  могут вызвать интоксикацию у травоядных животных [24;25].

  Алкалоиды  грибов-эндофитов можно разделить на четыре группы:

1.  Эрготные алкалоиды (эрговалин, эргоновин и др.);

2.  Индолдетерпены (паксиллин, лолитрем В);

3.  Пирролоперазины (перамин);

4.  Насыщенные  аминопирролизидины,  так называемые  лолины  (лолин,  норлолин,  N-ацетиллолин, N-формиллолин).

Для каждого вида грибов-эндофитов характерно определенное сочетание алкалоидов [20].

Токсикогенные эндофиты продуцируют токсины, которые обеспечивают увеличенную устойчивость к вредителям. Термин «токсин»  относится к веществу или веществам, которые придают увеличенную устойчивость к вредителям посредством контроля, снижения, уменьшения, предупреждения или отпугивания вредителей, и/или роста вредителей, и/или повреждения вредителей.

Различные эндофиты, выделенные из белой ели, являются токсикогенными для вредителей хвойных деревьев. Они включают в себя: продуцирующие ругулозин эндофиты, продуцирующие вермикулин эндофиты, продуцирующие меллеин, включая 5-метоксикарбонилмеллеин, 5-формилмеллеин, 5-метилмеллеин, эндофиты; продуцирующие тирозол, включая 3-бутил-4-метилфуран-2(5H)-он-бутиролактонтирозол, эндофиты; продуцирующие изокумарин, такой как 8-гидрокси-6-метокси-3-пропил-3,4-дигидроизокумарин, эндофиты, и продуцирующие 3-метил-5,7-диметоксифталид эндофиты [11]. Эти метаболиты являются главными компонентами смесей различных метаболитов против насекомых и/или грибов, продуцируемых каждым штаммом, и включают в себя производные, модифицированные растением формы и их метаболиты, которые являются токсичными. Также отмечают, что концентрации экскретированных токсинов являются наибольшими около мицелия. Сканирующие электронные микрофотографии показывают, что мицелий эндофита широко занимает межклеточное пространство игл бальзамической пихты [11].

В реальных экологических  условиях, когда растения испытывают дефицит основных элементов питания  и подвергаются действию различных  стрессов, их выживание в большой степени зависит от  образования симбиозов с микроорганизмами [26]. Показано, что многолетние злаковые травы, содержащие  грибы-эндофиты  рода  Neotyphodium, характеризуются повышенной семенной продуктивностью, ускорением срока колошения, увеличением выхода зеленой массы растений. По данным ряда исследований, грибы-эндофиты увеличивают фенотипическое  разнообразие  своих растительных  хозяев,  повышая возможность их  адаптации к условиям окружающей среды [20;26].

Piriformospora  - базидиальный  гриб, был найден в пустыне Тар и отличившийся в ходе исследований в качестве регулятора, биоудобрения и биопротектора как однодольных, так и двухдольных растений  [27]. Во время жизненного цикла он представлен тонкостенными клетками, нерегулярными перегородками, состоит из белых и гиалиновых гиф, в которых можно разглядеть множество ядер. Было подтверждено, что Pitiformospora обладает ярко-выраженной рост-стимулирующей активностью, при этом имеет большой спектр действия – успешный симбиоз данного микромицета отмечен с самыми разными видами растений [27]. Его симбиотические взаимодействия привели к усиленному производству биомассы надземных частей растения, включая цветы, которые активно используются  в фармацевтической промышленности для производства лечебных препаратов из лекарственных растений. [20;19].

Эндомикоризными грибы, в большинстве своем сапрофиты, деструктируют мертвый органический материал в почвах и являются абсолютно безвредными для растения-хозяина. Также данные микромицеты участвуют в мобилизации минеральных питательных веществ [17;27].

Экологическое значение Phanerochaete velutina, Pleurotussp. и Perisporiopsis lateritia  состоит в первую очередь в преобразовании твердой древесины в пригодные для использования формы [27]. Некоторые грибы, например Navisporus floccosus, специализируется на переваривании лигнин, целлюлозы и дубильные вещества в почвах – таким образом обеспечиваются доступные питательные вещества  для следующего поколения растений. Грунтовые грибы, напоминающие арбускулярно-микоризные грибы рассматриваются как важный фактор экосистемы в цикле углерод-  и азот-переработки в почве [27].

Исследования зарубежных ученых показывают успешность симбиотических отношений овсяницы тростниковой и  Н. coenophialum. Зараженные грибом растения отличались устойчивостью к засухе, а также более высокими показателями роста в условиях нехватки воды. Однако результаты опытов не удалось воспроизвести, используя в качестве растения-хозяина многолетний рейграсс. Влияние эндофитных микромицетов было непоследовательно и варьировалось на различных этапах опыта от отрицательного до положительного.  Исследования показали, что степень инфицированности популяции корелировала с водным режимом, установленным в процессе экспериментов.  На засушливых участках процент зараженных растений был значительно выше, чем на участках, имеющих достаточное количество влаги [14;17;27].

Хорошо понятно, что токсические  метаболиты, продуцируемые эндофитами травы, сильно снижают популяции растительноядных насекомых, атакующих растение. Это оказывает большое влияние на приспособленность растений. Семена травы из культиваров, содержащих грибковые эндофиты листьев, в течение 10 лет составляли доминирующий способ, применяемый для газонов и полей для игры в гольф в местностях США и Канады. Эти грибки продуцируют внутри листьев травы очень сильные токсины, которые убивают насекомых. Это намного уменьшает количество жестких химических пестицидов, используемых для полученных газонов. Такие газоны обладают увеличенной засухоустойчивостью и обладают увеличенной устойчивостью к грибковым заболеваниям [11].

 Обнаружили, среди всех штаммов микромицетов, обнаруживаемых в тканях хвойных растений лишь небольшое число штаммов из Abies balsamea (бальзамическая пихта), Picea rubens (красная ель), Picea glauca (белая ель) и Picea mariana (черная ель) продуцировал токсины против насекомых [11]. Один из токсинов, ругулозин, получен из культур, полученных из игл красной ели. 
Выделенные токсикогенные эндофиты являются применимыми для получения сеянцев хвойных с увеличенной устойчивостью к вредителям.