Кіріспе
Тамыр микробиомын қамтитын топырақ немесе субстрат аймағы. Ризосфера – тамыр бөліністерінің және тамыр микробиомы деп аталатын топырақ микроорганизмдерінің тікелей әсеріне ұшырайтын топырақ немесе субстраттың тар аймағы. Ризосферадағы топырақ кеңістіктерінде көптеген бактериялар мен басқа микроорганизмдер кездеседі, олар өсімдік жасушаларынан түскен ризодепозиция деп аталатын және тамырлар бөліп шығарған ақуыздар мен қанттар – тамыр эксудаттарымен қоректенеді. Бұл симбиоз өсімдік өсуіне және ресурстар үшін бәсекелестікке әсер ететін күрделі өзара әрекеттесулерге алып келеді. Өсімдіктерге қажетті антибиотиктер арқылы қоректік заттардың айналымы мен ауруларды басудың көп бөлігі тамыр эксудаттары және симбиотикалық және патогенді микроорганизмдер қауымдастықтарының метаболизм өнімдерінің нәтижесінде тамырлардың жанында жүзеге асады. Ризосфера сонымен қатар көрші және туыс өсімдіктерді бақылау үшін аллелохимиялық заттарды өндіруге мүмкіндік береді. Өсімдік-топырақ кері байланыс циклы және өсімдік тамырлары мен топырақ арасындағы басқа да физикалық факторлар ризосфера мен ризопланадағы қоғамдастықтар мен өсімдегі маңызды таңдау қысымы болып табылады.
The rhizosphere is the narrow region of soil or substrate that is directly influenced by root secretions and associated soil microorganisms known as the root microbiome. Soil pores in the rhizosphere can contain many bacteria and other microorganisms that feed on sloughed off plant cells, termed rhizodeposition, and the proteins and sugars released by roots, termed root exudates. This symbiosis leads to more complex interactions, influencing plant growth and competition for resources. Much of the nutrient cycling and disease suppression by antibiotics required by plants occurs immediately adjacent to roots due to root exudates and metabolic products of symbiotic and pathogenic communities of microorganisms. The rhizosphere also provides space to produce allelochemicals to control neighbours and relatives. The plant soil feedback loop and other physical factors occurring at the plant root soil interface are important selective pressures in communities and growth in the rhizosphere and rhizoplane.
Өмірбаян
"Ризосфера" термині алғаш рет 1904 жылы неміс өсімдік физиологы Лоренц Хилтнер өсімдік тамырларының қоршаған топырақпен қалай өзара әрекеттесетінін сипаттау үшін қолданған. Өсімдік тамырларының эксудаттары, мысалы органикалық қышқылдар, ірі топырақпен немесе бастапқы топырақпен салыстырғанда, ризосфераның химиялық құрамын және биологиялық қауымдастықтарын өзгертеді. Органикалық қышқылдар мен сахаридтердің концентрациясы биологиялық қауымдастықтардың фосфор, азот, калий және суды тамыр қақпағына жеткізу қабілетіне әсер етеді. Өсімдіктің тамыры және оған байланысты топырақ микроорганизмдерінің белгілі бір тасымалдау ақуыздарын қамтамасыз ету қабілеті, оған және оның жанындағы өсімдіктерге темір мен басқа да минералдардың қолжетімділігіне әсер етеді. Бұл қауымдастықтың құрамы мен оның тіршілік әрекетіне әсер етуі мүмкін. Тамыр эксудаттары тамыр клеткаларынан шығарылатын және "ризодепозиция" деп аталатын клеткалық қалдықтар түрінде ризосфераға түседі. Бұл ризодепозиция органикалық көміртек пен азоттың әртүрлі формаларында болады, ол өсімдік тамырларының маңындағы қауымдастықтарды қамтамасыз етеді және тамырларды қоршаған химиялық ортаға күшті әсер етеді. Экзополисахаридтер, мысалы полигликолид (PGA), топырақ көміртек шұңқырының физикалық тұрақтылығын сақтап және су ағынын бақылап, тамырлардың суды сіңіру қабілетіне әсер етеді. Мысалы, томат егісіндегі зерттеу көрсеткендей, ризосферадан алынған экзополисахаридтер (жалпы қант мөлшері және орташа инфрақызыл өлшемдері) өсірілген томат сорттарына байланысты өзгеше, ал су тапшылығы жағдайында (шектеулі суару) экзополисахаридтердің өндірісінің және микробиологиялық белсенділіктің артуы топырақтағы суды ұстауға және томаттың далалық өнімділігіне әсер етеді. Картоптың тамыр эксудаттарында, өсірілген жеріне қарамастан, иондарға әсер ететін қосылыстардың басым бөлігін фенолдар мен лигниндер құрайды; алайда, әртүрлі қосылыстардың қарқындылығы топырақ пен қоршаған ортаның жағдайларына тәуелді екені анықталды, нәтижесінде азот қосылыстары, лигниндер, фенолдар, көмірсулар және аминдер арасында айырмашылықтар байқалады.
Аллеохимиялық заттар
Бұл ризосфера аймағынан тысқары болса да, кейбір өсімдіктер тамырлары арқылы басқа организмдердің өсуін тежейтін аллелохимиялық заттар шығаратыны айқын. Мысалы, сарымсақ қышасы шалғынды Солтүстік Американың орташа белдеу ормандарында, жайылмалы түр ретінде, қоршаған ағаштар мен микориза арасындағы өзара тиімді қарым-қатынас құруына кедерес келтіретін химиялық затты өндіреді.
Ризосфераның экологиясы
Ризодепозиция өсімдік тамырларын тікелей қоршап тұрған және олардың ішіндегі микроорганизмдер қауымдастығының өсуіне жағдай жасайды. Бұл түрлер арасындағы күрделі өзара әрекеттесулерге, оның ішінде симбиозға, тоңдау/паразиттік қатынастарға және бәсекелестікке алып келеді.
Жауыздық
Жыртқыштық жоғарыдан төменге қарай деп есептеледі, себебі осы өзара әрекеттесулер популяцияны азайтады, бірақ түрлердің өзара әрекеттесулерінің тығыздығы ресурстардың қолжетімділігіне тікелей әсер етеді, нәтижесінде популяция төменнен жоғары бақылаудың да әсеріне түседі. Топырақ фаунасы болмаса, өсімдіктердің бәсекелестеріне және өсімдіктермен симбиозға түсетін микробтарға тікелей жыртқыштық жасайтын микробтар ризосферадағы өзара әрекеттесулердің өсімдіктерге қарсы болуына себеп болар еді. Топырақ фаунасы ризосфераның жоғарыдан төменге қарайғы компонентін қамтамасыз етеді, сонымен қатар ризодепозиция және бейорганикалық азоттан қоректік заттардың төменнен жоғарыға қарайғы көбеюіне жағдай жасайды. Осы өзара әрекеттесулердің күрделілігі, мысалы, нематодалар мен протостар сияқты жалпы топырақ фаунасымен жүргізілген тәжірибелер арқылы да көрсетілді. Бактерия жейтін нематодалардың жыртқыштығы азоттың қолжетімділігіне және өсімдіктердің өсуіне әсер ететіні анықталды. Сондай-ақ, нематодалар қосылған бактериялар популяциясының өскені байқалды. Амебаның Pseudomonas-қа қарсы жыртқыштығы, жыртқыштардың тікелей қатысусыз, олжасы өндіретін токсиндерді жоғарылатуға қабілетті екенін көрсетті, осы үшін супернатантты пайдаланады. Жыртқыштардың тікелей байланыссыз, олжадағы биологиялық бақылау агенттерінің экспрессиясын және өндірісін бақылау қабілеті, олжа түрлерінің жыртқыштар тығыздығы мен қоректік заттардың жеткілікті болуы туралы сигналдарға эволюциялық бейімделуімен байланысты. Ризосферадағы азық тізбегін екі түрлі энергия көзі бар үш канал ретінде қарастыруға болады: детритке тәуелді каналдар – саңырауқұлақтар мен бактериялар түрлері, ал тамыр энергиясына тәуелді канал – нематодалар, симбиоздық түрлер және кейбір буынтық аяқтылардан тұрады. Геометриялық қасиеттер – тамырлардың тығыздығы, тамыр диаметрі және тамырлардың таралуы. Физико-химиялық қасиеттер – эксудация жылдамдығы, эксудаттардың ыдырау жылдамдығы және диффузияға әсер ететін ортаның қасиеттері. Бұл қасиеттер тамырлардың ризосферасын және өсімдіктердің көршілерімен тікелей бәсекелесу мүмкіндігін анықтайды. Өсімдіктер мен топырақ микрофлорасы биомассаға көміртек пен азот сияқты шектеулі ресурстарды байланыстырып, бір-бірімен жанама бәсекелеседі. Бұл бәсекелестік, қалдықтардағы көміртек пен азоттың арақатынасына және топырақтағы азоттың минералдануына байланысты әртүрлі жылдамдықпен жүруі мүмкін. Микоризалар мен гетеротрофты топырақ микроорганизмдері, сол кезде шектеулі болған көміртек пен азот үшін бәсекелеседі, бұл өз кезегінде түрлерге, іздеу қабілеттеріне және азот түсуіне әсер ететін қоршаған орта жағдайларына байланысты. Өсімдіктер, ризосферадағы топырақ микрофлорасына қарағанда, аминқышқылдары сияқты органикалық азотты сіңіруде аз сәттілікке жетеді. Бұл өсімдіктердің азотты сіңіруімен байланысты басқа да өзара қарым-қатынастардың қалыптасуын көрсетеді. Шектелген ортадағы оттегі сияқты басқа ресурстар үшін бәсекеге түрлердің кеңістіктік және уақытша орналасуы және ризосфера тікелей әсер етеді. Метанотрофтарда, жоғары тығыздықтағы тамырларға және бетке жақын болу маңызды және күріш алқаптарында гетеротрофтарға қарағанда қай жерде басым екенін анықтауға көмектеседі. Энергияның әртүрлі каналдары арасындағы әлсіз байланыс, жыртқыш пен олжаның популяцияларын реттеуде және биомаға ресурстардың қолжетімділігінде маңызды рөл атқарады. Ресурс тұтынушысы мен тұтынушының тұтынушысы арасындағы мықты байланыстар, қолжетімді ресурстардың сипатына байланысты анықталатын осцилляторлардың біріктірілген жүйелерін жасайды. Бұл жүйелер циклдік, квази-периодикалық немесе хаотикалық болуы мүмкін.
Өзаралық
Өсімдіктер тамырлары арқылы көптеген қосылыстарды бөліп, ризосферадағы симбиотикалық функцияларды атқарады. Микоризалық саңырауқұлақтар бөліп шығаратын және анықтайтын стириголактондар споралардың өніп-өсуін ынталандырады және микоризада тамырларды оятуға мүмкіндік беретін өзгерістерді бастайды. Паразиттік өсімдік, Striga, сондай-ақ стириголактондардың бар екенін байқайды және оларды анықтағанда өніп шығады; содан кейін тамырға өтіп, ондағы қоректік заттармен қоректенеді. Симбиотикалық азотты бекітетін бактериялар, мысалы, Rhizobium түрлері, бұршақ тұқымдас өсімдіктердің тамырлары бөліп шығаратын флавоноидтар сияқты қосылыстарды анықтайды, содан кейін өсімдікке олардың бар екенін хабарлайтын түйін факторларын өндіреді және тамыр түйіндерінің пайда болуына әкеледі. Бактериялар осы түйіндердегі симбиосомаларда орналасады, онда олар өсімдіктің қоректік заттарымен қамтамасыз етіледі және азот газын өсімдік пайдалана алатын формаға айналдырады. Симбиотикалық емес (немесе "еркін тіршілік ететін") азотты бекітетін бактериялар белгілі бір өсімдіктердің (оның ішінде көптеген шөптердің) тамырларының жанындағы ризосферада тіршілік ете алады және осыған ұқсас түрде, қоректік заттарға бай өсімдік ризосферасында азот газын "бекітеді". Бұл организмдер өздері мекендейтін өсімдіктермен тек шала байланысты деп есептелсе де, олар өсімдіктердің жағдайына өте күшті реакция жасай алады. Мысалы, күріш өсімдіктерінің ризосферасындағы азотты бекітетін бактериялар өсімдіктердің мінез-құлқына ұқсайтын тәуліктік циклдарды көрсетеді және өсімдіктің азотқа деген қажеттілігі жоғары болған кезде, өсу кезеңінде көбірек бекітілген азот беруге бейім. Өсімдіктер мен тамырлар ұсынатын ресурстар мен қорғаныс үшін, саңырауқұлақтар мен бактериялар патогенді микроорганизмдерді бақылайды, бұл биогеохимиялық циклдар сияқты экожүйеге әсер ететін қоректік заттардың үлкен айналымына әсер етеді. Бұл сипаттама өсімдіктердің, олардың саңырауқұлақ серіктестерінің және ризосферада тіршілік ететін бактериялардың эволюция барысында қалыптасқан күрделі өзара әрекеттесуін түсіндіру үшін қолданылады. Триходерма сияқты кейбір түрлер осы күрделі желідегі түрлерді іріктеу қабілетімен қызығушылық тудырады. Триходерма – биологиялық бақылау агенті, өйткені ол ризосферадағы өсімдік патогендерін азайта алатыны дәлелденген. Өсімдіктердің өздері де эксудаттарды енгізу және олармен байланыс арқылы ризосферадағы бактериялардың қайсысының іріктеліп алынатынына әсер етеді. Бұл шағын әртүрлілік ошақтарындағы түрлердің қандай түрлер бар екенін бақылау, осы кеңістіктердің сыйымдылығына және болашақ экологияның болашақ жағдайларына айтарлықтай әсер етуі мүмкін.
Микробиологиялық консорциум
Коммуникация көбінесе биотикалық өзара әрекеттесудің негізі болып табылады. Көбінесе екінен астам организм қарым-қатынасқа қатыса алады, нәтижесінде күрделі желілер пайда болады. Өсімдік-микроб өзара әрекеттесу зерттеулерінің соңғы жетістіктері патшалықтар аралық және ішкі патшалық коммуникация кең спектрлі факторлармен қалыптасатынын көрсетті. Осы контексте, ризосфера (яғни тамыр бетіне жақын топырақ) күрделі өзара әрекеттесулер болатын ерекше микроортаны қамтамасыз етеді. Ризосфераны құрайтын күрделі орта осы бірегей нишаға бейімделген белгілі бір микробтық популяцияларды іріктей алады. Олардың ішінде ризобиялар ризосфералық микробиомның маңызды компоненті ретінде көзге түсті. Ризосфералық өзара әрекеттесу ризобиум-бұршақ өсімдіктерінің өзара әрекеттесуінде кездеседі. Бұл симбиоз – өсімдік ризосфералық эксудаттары және микробиом құрамы арқылы қалыптасатын сигнал беруді қамтитын күрделі процесс. Ризобияның басқа ризосфералық организмдермен қарым-қатынасы, сондай-ақ қоршаған орта факторларының ықпалы, олардың иесі өсімдіктің денсаулығына пайдалы рөл атқаруына әкеледі. Биологиялық сигналдар мен ақпарат алмасу – коммуникацияның анықтамасының бір бөлігі, ал сигналдардың өзі – «организмдердің мінез-құлқын өзгерте алатын кез келген құрылым» ретінде қарастырылады. Осылайша, сигналдар сигнал өндірушілер мен қабылдаушылар арасындағы өзара әрекеттесу арқасында эволюцияға ұшырап, сақталуы мүмкін. Демек, ынтымақтастық және бейімділікті арттыру биологиялық коммуникацияның негізі болып табылады. Өсімдіктің өзі, жәндіктер, саңырауқұлақтар және микробтар арасында көптеген сигналдар алмасуы мүмкін. Бұл жоғары тығыздықтағы ортада жүзеге асырылады. Әдетте, коммуникация – басқа жасушалардан келетін молекулаларға жасушалардың химиялық жауабының нәтижесі болып табылады. Бұл сигналдар метаболизмге де, гендердің транскрипциясына да әсер етеді, бірнеше реттеуші механизмдерді белсендіреді. Дегенмен, өсімдіктер шығаратын көптеген қоректік заттар патогенді организмдерге қызығушылық тудыруы мүмкін, олар ризосферада тіршілік ету үшін өсімдік өнімдерін пайдалана алады. Шындығында, өсімдік тамырынан шығатын қоректік заттарға бай эксудаттардың химиялық сигналдарының арқасында көптеген микроорганизмдер алдымен ризосфераны отарлап, содан кейін біртіндеп тамырға және өсімдіктің барлық тіндеріне (эндофиттер) енуі мүмкін. Керісінше, олар иесі өсімдікті отарлап, ұзаққа созылған және пайдалы симбиотикалық қарым-қатынас орната алады. Бүгінгі күнге дейін тамыр эксудаттарының құрамы бойынша көптеген зерттеулер жүргізілді. Алайда, ризосфераны отарлаудың алғашқы кезеңдері, атап айтқанда тамыр бетіндегі бастапқы нүкте туралы білім жеткіліксіз. Дегенмен, жиналған деректер ризобиа-бұршақ өсімдіктерінің өзара әрекеттесуін жақсарту үшін ризосфералық биотикалық компоненттер арасындағы түр ішіндегі және көп түрлі коммуникацияның маңызды екенін көрсетті. Сонымен қатар, ризобиялар бұршақ емес өсімдіктердің кең ауқымындағы ризосфераның бөлігі екені көрсетілді, онда олар өсімдіктердің өсуін ынталандыратын компоненттер ретінде әрекет ете алады, өсімдіктердің негізгі микробиомындағы орталық рөлді қалпына келтіреді. Пиролиз-далалық иондау массалық спектрометриясы кейбір зерттеулерде фульво және гуминді қышқылдарды, сондай-ақ экстракция қалдықтарын (гуминдерді) табу үшін ауылшаруашылық далаларының спектрометриясын жүргізуге мүмкіндік береді және басқа соңғы жұмыстарда жалпы органикалық қосылыстарға қолданылады. A = бактерияларды тұтынатын амеба; BL = энергиясы шектеулі бактериялар; BU = энергиясы шектеулі емес бактериялар; RC = тамырдан алынған көміртек; SR = түксіз тамыр шашы жасушалары; F = саңырауқұлақ гифалары; N = нематода құрттары.