Введение

Эндосибиотическая бактерия или гриб

Эндофит – это эндосимбионт, часто бактерия или гриб, который обитает внутри растения на протяжении, по крайней мере, части его жизненного цикла, не вызывая видимых признаков заболевания. Эндофиты широко распространены и обнаружены во всех изученных на сегодняшний день видах растений; однако большинство взаимодействий между эндофитами и растениями изучены недостаточно. Некоторые эндофиты могут способствовать росту растения и усвоению питательных веществ, а также повышать его устойчивость к абиотическим стрессам, таким как засуха, и снижать биотические стрессы, усиливая сопротивляемость растениям к насекомым, патогенам и травоядным. Хотя эндофитические бактерии и грибы изучаются наиболее часто, эндофитические археи все чаще рассматриваются в контексте их роли в стимулировании роста растений как части основного микробиома растения.

История

Эндофиты были впервые описаны немецким ботаником Иоганном Генрихом Фридрихом Линком в 1809 году. Считалось, что это паразитические грибы растений, а позже французский ученый Бешам назвал их "микрозимами". Бытовало мнение, что растения здоровы в стерильных условиях, и лишь в 1887 году Виктор Галиппе обнаружил бактерии, обычно обитающие внутри растительных тканей. Однако, несмотря на то, что большинство эндофитных исследований сообщают о взаимовыгодных отношениях бактерий и грибов, Das et al., (2019) сообщили об эндофитном вироме и его возможной роли в механизмах защиты растений.

Трансмиссия

Эндофиты могут передаваться как вертикально (непосредственно от родительского растения к потомству), так и горизонтально (между отдельными растениями). Вертикально передающиеся грибковые эндофиты обычно рассматриваются как клональные и передаются посредством грибных гиф, проникающих в эмбрион внутри семян растения-хозяина, тогда как размножение грибов бесполыми конидиями или половыми спорами приводит к горизонтальной передаче, при которой эндофиты могут распространяться между растениями в популяции или сообществе.

Симбиоз

Большинство взаимодействий растений с эндофитами до сих пор изучены недостаточно. Однако недавно было показано, что эндофиты передаются из поколения в поколение через семена в процессе, называемом вертикальной передачей. Эндофиты и растения часто вступают во взаимовыгодные отношения, при которых эндофиты прежде всего способствуют здоровью и выживанию растения-хозяина, помогая справляться с такими проблемами, как патогены и болезни, водный стресс, тепловой стресс, доступность питательных веществ, плохое качество почвы, засоленность и поедание травоядными. Эндофиты могут активизироваться и размножаться в определенных условиях окружающей среды или когда растения-хозяева испытывают стресс или начинают стареть, тем самым ограничивая количество углерода, предоставляемого эндофиту. Эндофиты могут приносить пользу растениям-хозяевам, предотвращая колонизацию другими патогенными или паразитическими организмами. Эндофиты способны активно колонизировать ткани растений и вытеснять другие потенциальные патогены. Некоторые грибные и бактериальные эндофиты доказали свою способность стимулировать рост растений и повышать их общую устойчивость. Исследования показали, что эндофитные грибы растут в тесном взаимодействии с клетками растений-хозяев. Грибные гифы наблюдаются растущими либо приплюснутыми, либо вклинивающимися между растительными клетками. Такой характер роста указывает на то, что грибные гифы прочно прикреплены к клеточной стенке растения-хозяина, но не проникают внутрь клеток. Эндофитные грибные гифы, по-видимому, растут с той же скоростью, что и листья растения-хозяина, в межклеточных пространствах растительной ткани. Было показано, что присутствие определенных грибных эндофитов в меристемах, листьях и репродуктивных структурах хозяина значительно повышает выживаемость последних. Эта повышенная выживаемость во многом обусловлена выработкой эндофитами вторичных метаболитов, защищающих от поедания травоядными, а также увеличением поглощения питательных веществ. Существуют данные о том, что растения и эндофиты общаются друг с другом, что может способствовать симбиозу. Например, было показано, что химические сигналы растений активируют экспрессию генов в эндофитах. Один из примеров такого взаимодействия эндосимбионтов наблюдается между двудольными растениями семейства Вьюнковые (Convolvulaceae) и грибами порядка Клавиципитальные (clavicipitaceous fungi). Когда гриб находится в растении, он синтезирует эрголиновые алкалоиды с более высокой скоростью, чем при выращивании вне растения. Это подтверждает гипотезу о том, что для индукции экспрессии эндофитических вторичных метаболитов необходима сигнализация растений.

Влияние на поведение растений

Изучалось различное поведение, возникшее в результате эндофитного симбиоза с растениями. Было показано, что ассоциация с грибковыми эндофитами приводит к удлинению корневых и побеговых структур саженцев *Pseudotsuga menziesii* (дугласской ели) в условиях низкого содержания питательных веществ, а также к увеличению общей биомассы. Предполагаемые механизмы включают высокую способность грибов к растворению неорганических фосфатов и минерализации органических фосфатов, усиление микоризных ассоциаций за счет колонизации корней и повышение поглощения азота и фосфора. Кроме того, различные исследования эндофитных взаимодействий показали повышение фотосинтетической активности растений-хозяев и улучшение водного режима. Улучшение эффективности использования воды наблюдалось при более высоких концентрациях, а дальнейшее увеличение – в условиях водного дефицита. Однако специфические биохимические механизмы, лежащие в основе этих поведенческих изменений, до сих пор в значительной степени неизвестны, и низкоуровневые сигнальные каскады еще предстоит изучить. Более того, хотя преимущества эндофитных отношений хорошо изучены, их издержки изучены меньше, например, конкретные углеродные затраты, система регуляции эндофитов и условия окружающей среды, способствующие установлению оптимальных отношений между растением и эндофитом. Уникальным для данного эксперимента был механизм, посредством которого это происходило. В результате инокуляции наблюдалась активация генов, связанных с производством жасмоновой кислоты и этилена в корнях растений, хотя механизм этого явления остается неизвестным. Также было показано, что происходит регуляция генов, связанных с синтезом индолуксусной кислоты (IAA), что указывает на сложный баланс между этиленом и IAA, поддерживаемый *H. frisingense*. Многие эндофиты относятся к отделам Basidiomycota и Ascomycota. Эндофитные грибы могут относиться к классам Hypocreales и Xylariales из класса Sordariomycetes (Pyrenomycetes) или к классу Loculoascomycetes. Одной из групп грибных эндофитов являются арбускулярные микоризные грибы, включающие биотрофные Glomeromycota, ассоциированные с различными видами растений. Как и другие организмы, связанные с растениями, например, микоризные грибы, эндофиты получают углерод от растения-хозяина. Бактериальные эндофиты полифилетичны и принадлежат к широкому спектру таксонов, включая α-протеобактерии, β-протеобактерии, γ-протеобактерии, Firmicutes и Actinobacteria. Один или несколько эндофитных организмов встречаются почти у каждого наземного растения. Предполагается, что области с высоким разнообразием растений, такие как тропические леса, могут содержать наибольшее разнообразие эндофитных организмов, обладающих новыми и разнообразными химическими метаболитами. По оценкам, в мире может существовать около 1 миллиона эндофитных грибов.

Классификация

Эндофиты включают в себя широкий спектр микроорганизмов, таких как грибы, бактерии и вирусы. Существуют два различных подхода к классификации эндофитов.

Системные и несистемные

Первый метод делит эндофиты на две категории: системные (истинные) и несистемные (временные). Эти категории основаны на генетике, биологии и механизме передачи эндофита от растения к растению. Системные эндофиты определяются как организмы, которые обитают внутри тканей растения на протяжении всего его жизненного цикла и участвуют в симбиотических отношениях, не вызывая при этом никаких заболеваний или вреда растению. Кроме того, концентрация и разнообразие системных эндофитов в растении-хозяине не меняются при изменении условий окружающей среды.

Клавципитациальные и неклавиципитациальные

Второй метод разделяет грибковые эндофиты на четыре группы на основе таксономии и шести других критериев: диапазон хозяев, колонизируемые ткани хозяина, колонизация растений, биоразнообразие в растениях, способ передачи и преимущества для приспособленности. Эти четыре группы делятся на клавиципитацеозные эндофиты (класс 1) и неклавиципитацеозные эндофиты (классы 2, 3 и 4). Эндофиты класса 1 филогенетически связаны между собой и размножаются в злаках как теплого, так и умеренного климата. Они обычно колонизируют побеги растений, где формируют системную межклеточную инфекцию. Эндофиты класса 1 в основном передаются от хозяина к хозяину вертикальным путем, когда материнские растения передают грибы своему потомству через семена. Эндофиты класса 1 могут быть далее разделены на типы I, II и III. Среди этих трех типов клавиципитацеозных эндофитов наблюдаются различные взаимодействия с их растениями-хозяевами, варьирующиеся от патогенных до симбиотических и от проявляющихся симптомами до бессимптомных. Эндофиты клавиципитации III типа растут внутри растения-хозяина, не вызывая симптомов заболевания и не нанося ему вреда. Эндофиты класса 1 обычно приносят пользу растению-хозяину, например, улучшают биомассу растений, повышают устойчивость к засухе и увеличивают выработку химических веществ, токсичных и неприятных для животных, тем самым снижая травоядность. Эти преимущества могут варьироваться в зависимости от хозяина и условий окружающей среды. Использование эндофитов потенциально может увеличить урожайность сельскохозяйственных культур. Семена газонных трав Festuca и Lolium perenne, инфицированные грибковыми инокулянтами Acremonium coenophialum и A. lolii, коммерчески доступны для выращивания газонов, которые могут требовать меньшего использования пестицидов. Эти травы ядовиты для крупного рогатого скота и более устойчивы к некоторым повреждениям насекомыми. По состоянию на 1999 год они доступны только для вышеупомянутых газонных трав, которые продаются как сорта с "низким уровнем обслуживания". Грибы заставляют травы содержать токсичные алкалоиды. Продукты обеспечивают высокую устойчивость к листовым вредителям газона, таким как долгоносики, цикадки, совки, армейские черви и аргентинские стеблевые долгоносики, но обеспечивают небольшую защиту от вредителей корней трав, таких как личинки. Эндофиты могут выживать под воздействием большинства пестицидов и даже устойчивы к некоторым фунгицидам, что делает их очень подходящими для использования в интегрированной защите растений.

Биотопливо

В 2008 году эксперимент с изолятом гриба под названием NRRL 50072 показал, что этот штамм способен производить небольшое количество углеводородных соединений, подобных топливу, что продвигалось как "мико-дизель". Выражалась надежда, что в будущем это может стать потенциальным источником биотоплива. Первоначально гриб был ошибочно идентифицирован как эндофит Gliocladium roseum, но последующие исследования показали, что это на самом деле сапрофит Ascocoryne sarcoides. Штамм эндофитных грибов, тесно связанный с Nigrograna mackinnonii и выделенный из стебля растения Guazuma ulmifolia, собранного в Эквадоре, оказался способен производить разнообразные летучие органические соединения, включая терпены и полиены с нечетным числом атомов углерода в цепи. Полиены, выделенные из этого гриба, обладают свойствами, востребованными в качестве компонентов суррогатных бензиновых биотоплив.

Фиторемедиация

Растения потенциально способны разрушать или секвестрировать, или стимулировать микроорганизмы в почве к разрушению или секвестрированию определенных органических и неорганических загрязнителей, таких как никель, в деградированных экосистемах, что известно как фиторемедиация. В этом эндофиты могут помочь растениям преобразовывать загрязнители в менее биологически опасные формы; в одном из немногих проведенных экспериментов плазмида TOM из штамма бактерии рода Burkholderia, известного как G4, способного разрушать трихлорэтилен (TCE), была перенесена эндофитам популярных деревьев; хотя это не позволило растениям удалить больше этого химического вещества, чем неинокулированным растениям, растения выделяли в воздух меньше TCE. В другом эксперименте бактерии Burkholderia, содержащие плазмиду TOM и гены устойчивости к никелю, были введены в желтую люпину; это увеличило корневую массу растений, но количество выделяемого в воздух TCE не было статистически значимым. Несмотря на эти неудачи, подобные методы могут привести к улучшениям в будущем. Два штамма эндофитных грибов Pestalotiopsis microspora, выделенных из стеблей растений эквадорских тропических лесов, в лабораторных условиях продемонстрировали способность переваривать полиуретановый пластик как единственный источник углерода в анаэробных условиях, хотя многие другие неэндофитные грибы также показали эту способность, и большинство изолированных в этом эксперименте эндофитных грибов могли выполнять это в определенной степени.

Открытие лекарств

Эндофиты производят широкий спектр вторичных метаболитов, которые могут быть полезны в качестве ведущих соединений при разработке лекарств. Биопроспекция эндофитов уже позволила получить соединения с антибактериальными, противогрибковыми, противовирусными и нейропротекторными свойствами. Хорошо известен пример открытия химических веществ, полученных из эндофитных грибов – гриба *Taxomyces andreanae*, выделенного из тихоокеанского тиса *Taxus brevifolia*. *T. andreanae* производит паклитаксел, также известный как таксол, важный препарат для лечения рака. С тех пор были обнаружены другие эндофиты, производящие паклитаксел у различных видов хозяев, однако на сегодняшний день не создан ни один успешный промышленный источник паклитаксела. Два производных фузарубина – ангидрофузарубин и метиловый эфир фузарубина – были выделены из эндофитного гриба *Cladosporium* sp. и проявили цитотоксичность в отношении лейкемии человека (K 562). Кроме того, соединения морского гриба *Nigrospora* sp. проявляют активность против штаммов *Mycobacterium tuberculosis*, устойчивых ко многим лекарственным препаратам. Эндофитный гриб рода *Pseudomassaria* был обнаружен во влажных тропических лесах Демократической Республики Конго. Этот гриб производит метаболит, обладающий потенциалом в качестве антидиабетического средства, также известного как миметик инсулина. Это соединение действует подобно инсулину и, как показано в экспериментах на мышах, снижает уровень глюкозы в крови. Эндофиты *Epichloë* широко используются в коммерческих целях в травяных газонах для повышения их продуктивности и устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам. *Piriformospora indica* – интересный эндофитный гриб порядка Себацинальные, способный колонизировать корни и формировать симбиотические отношения со многими растениями. Эндофиты, по-видимому, усиливают рост своих симбиотических хозяев. Они также повышают устойчивость хозяев к абиотическим и биотическим стрессорам, таким как засуха, бедные почвы и поедание травоядными животными. Увеличение роста и устойчивости, вероятно, связано со способностью эндофитов улучшать питание растений или производство вторичных метаболитов, как в случае ингибирования *Phoma eupatoriis* фитопатогена *Phytophthora infestans*. Эндофиты достигают этого, увеличивая поглощение ценных, ограниченных в почве питательных веществ, таких как фосфор, и делая доступными другие питательные вещества для растений, например, фосфат горных пород и атмосферный азот, которые обычно находятся в недоступных для растений формах. Все большее значение придается эндофитам, защищающим ценные сельскохозяйственные культуры от инвазивных насекомых. Один из примеров взаимодействия эндофитов и насекомых растений наблюдается на лугах Новой Зеландии, где эндофиты, известные как AR1 и AR37, используются для защиты ценной овсяницы луговой от аргентинского стеблевого жука, при этом оставаясь привлекательными для другого важного источника пищи – домашнего скота. Обнаружено несколько эндофитов, обладающих инсектицидными свойствами. Один из таких эндофитов происходит от *Nodulisporium* sp., впервые выделенного из растения *Bontia daphnoides*. Из этого эндофита были получены индольные дитерпены, известные как нодулиспориновые кислоты, которые эффективно уничтожают личинок мух. Существует множество препятствий для успешного внедрения эндофитов в сельское хозяйство. Несмотря на многочисленные известные преимущества, которые эндофиты могут приносить своим растениям-хозяевам, традиционные методы ведения сельского хозяйства по-прежнему остаются приоритетными. Современное сельское хозяйство в значительной степени зависит от фунгицидов и высоких доз химических удобрений. Использование фунгицидов оказывает негативное воздействие на эндофитные грибы, а удобрения снижают зависимость растения от его эндофитного симбионта. Тем не менее, интерес и использование биоинсектицидов, а также эндофитов для стимуляции роста растений, возрастают по мере того, как органическое и устойчивое сельское хозяйство приобретает все большее значение. По мере того, как люди осознают ущерб, наносимый синтетическими инсектицидами окружающей среде и полезным насекомым, таким как пчелы и бабочки, биологические инсектициды могут стать более важными для сельскохозяйственной отрасли.