Keimung und Hyphenwachstum
Die Keimung von Sporen kann auf drei Arten erfolgen; durch Keimschilde, wie in Acaulospora und Scutellospora, direkt durch die Sporenwand in Gigaspora und einigen Glomusarten oder durch Nachwachsen durch die Hyphenanhaftung, die bei vielen anderen Glomusarten üblich ist (Siqueira et al., 1985). Der Prozess erfordert keine Pflanzenwurzeln, obwohl Prozent Keimung manchmal in ihrer Anwesenheit erhöht wird., Die Keimung im Boden oder auf Agarmedien produziert kleine Mengen presymbiotisches Myzel in der Größenordnung von 20-30 mm pro Spore. Es gibt Hinweise darauf, dass dieses Myzel leichte Kapazitäten zur Verwendung von exogenem Zucker und Acetat aufweisen kann (Bago et al., 1999a) und möglicherweise für saprotrophes Wachstum im Boden (Hepper und Warner, 1983), aber in Abwesenheit von Wurzeln oder Wurzelexsudaten haben die Hyphen sehr langsame Stoffwechselraten und alle Versuche einer Langzeitkultur sind fehlgeschlagen (Azcón-Aguilar et al., 1999; Giovannetti, 2000; Bécard et al., 2004)., Das Vorhandensein einer Wurzel oder eines Wurzelexsudats stimuliert das Wachstum und die Verzweigung des Myzels und wandelt es anscheinend in einen „infektionsbereiten“ Zustand um (siehe Kapitel 3), aber es tritt kein anhaltendes Wachstum auf und es werden keine neuen Sporen produziert, es sei denn, es erfolgt eine erfolgreiche Besiedlung eines Wurzelsystems; Wenn sich die Spore löst, hört das Wachstum der Hyphen auf.
Die meisten Studien zur Keimung haben Wasser-oder Nährstoffagar verwendet, der unterschiedlich modifiziert wurde, aber ein alternativer und ökologisch relevanterer Ansatz besteht darin, Sporen in so verpackten Böden zu vergraben, dass sie wiederhergestellt werden können., Die erratische Keimung kann mit der Ruhephase zusammenhängen, da, wie Tommerup (1983) zeigte, Sporen von „Gigaspora“ (Scutellospora) Calospora, Acaulospora laevis und zwei Glomusarten schlummern, wenn sie zuerst gebildet werden, aber nach Perioden der Lagerruhe überwunden ist. Die Sporen werden dann ruhiggestellt und können unter geeigneten Feuchtigkeits-und Temperaturbedingungen schnell und ziemlich synchron keimen., Dies stimmt mit anderen Untersuchungen überein, die zeigen, dass Lagerzeiten im trockenen Boden oder bei niedriger Temperatur die prozentuale Keimung je nach Art erhöhen (Sylvia und Schenck, 1983; Tommerup, 1984a; Gemma und Koske, 1988; Louis und Lim, 1988; Safir et al., 1990).
Hepper und Mosse (1975) und anschließend Hepper und Kollegen (Hepper und Smith, 1976; Hepper, 1979, 1983a, 1983b, 1984a; Hepper und Jakobsen, 1983) führten eine umfassende und systematische Untersuchung der Keimung einer einzelnen Art, Glomus caledonium, durch. Diese und andere Untersuchungen (Schenck et al.,, 1975; Green et al., 1976; Daniels und Duff, 1978; Daniels und Trappe, 1980) erlauben einige sehr breite Verallgemeinerungen (rezensiert von Azcón-Aguilar et al., 1999; Giovannetti, 2000). Pilzarten variieren im optimalen pH-Wert, Bodenreife und Temperatur für maximale Keimung und obwohl die Auswirkungen hoher Konzentrationen von P und anderen mineralischen Nährstoffen variabel sind, können Schwermetalle (Zn, Mn und Cd), organische Säuren und eine Reihe von Zuckern hemmend sein. Hoher Salzgehalt reduziert die Keimung, wahrscheinlich durch seine Wirkung auf das Wasserpotential (Wacholder und Abbott, 1993, 2004)., Einige Untersuchungen legen nahe, dass Glukose, Wurzelexsudate oder Extrakte aus Wirtsspezies die Keimung stimulieren (Graham, 1982; Gianinazzi-Pearson et al., 1989; Vilarino und Sainz, 1997; Bécard et al., 2004), während andere negative oder gar keine Auswirkungen melden (Schreiner und Koide, 1993a, 1993b, 1993c; Vierheilig und Ocampo, 1990a, 1990b).
Die Keimung wird manchmal, aber nicht immer, in Gegenwart von Mikroorganismen erhöht oder in sterilem Boden verringert (Azcón-Aguilar et al., 1986a, 1986b; Mayo et al., 1986; Azcón, 1987; Wilson et al.,, 1988; Daniels Hetrick, und Wilson, 1989; Xavier und Germida, 2003). Komplexe Wechselwirkungen zwischen mikrobieller Aktivität und Sporenkeimung und Myzelwachstum sind zu erwarten, und mögliche Mechanismen umfassen die Entfernung von Toxinen oder Keimhemmern, die Produktion spezifischer stimulierender Verbindungen und die Aufrechterhaltung erhöhter CO2-Konzentrationen, obwohl die Auswirkungen auf die Keimung selbst gering sein können (Le Tacon et al., 1983).,
Die Keimung und das Hyphenwachstum von Sporen wurde intensiv untersucht, um festzustellen, warum sie ohne Wurzelkolonisation sowie in der Hoffnung, axenisches Myzel zur Verwendung als Inokulum zu produzieren, so begrenzt ist. Frühe Arbeiten konzentrierten sich auf die Identifizierung eines essentiellen Metaboliten, der möglicherweise fehlt., Es wurde wenig Verständnis gewonnen, obwohl konsequent festgestellt wurde, dass eine erhöhte P-Konzentration im Medium das Hyphalwachstum verringerte, dass die stimulierenden Wirkungen von Pepton auf die Lysin -, Cystein-und Glycinkomponenten zurückgeführt werden konnten und dass K – (anstelle von Na) Salze von Sulfit und Metabisulfat waren stimulierender als Sulfat oder Thiosulfat., Verschiedene metabolische Inhibitoren wie Actinomycin, Cycloheximid, Ethidiumbromid usw. konnten ebenfalls nicht viel Licht ins Dunkel bringen, außer dass es keine ernsthaften Grenzen für die DNA-oder Proteinsynthese während der Sporenkeimung gibt (Hepper, 1979, 1983a, 1983b, 1984a; Siqueira et al., 1982, 1985; Hepper und Jakobsen, 1983; Pons und Gianinazzi-Pearson, 1984). Dennoch scheint die Stoffwechselrate von Sporen und Keimröhrchen niedrig zu sein (Tamasloukht et al., 2003; Bécard et al., 2004)., Gespeichertes Lipid wird in Kohlenhydrate umgewandelt und kleine Mengen Glukose und Acetat können absorbiert werden, aber die Lipidsynthese findet während der Keimung nicht statt (Bago et al., 1999a).
Die Arbeit über die Auswirkungen von Pflanzenexsudaten und flüchtigen Stoffen war viel aufschlussreicher (Koske und Gemma, 1992). Bereits 1976 bemerkte Powell (1976) eine verstärkte Verzweigung von Hyphen im Boden, da sie sehr nahe an den Wurzeln wuchsen., In axenischen Tests stimulierten lösliche Exsudate oder Extrakte aus den Wurzeln von Wirtsarten sowie aus Zellkulturen das Wachstum und die Verzweigung von Myzel, das aus Sporen wuchs (Graham, 1982; Carr et al., 1985; Elias und Safir, 1987; Vierheilig et al., 1998a; Buee et al., 2000), während Exsudate von Nicht-Wirten keine Wirkung hatten (Gianinazzi-Pearson et al., 1989; Schreiner und Koide, 1993b; Buee et al., 2000). Eine hohe P-Versorgung der Wurzeln, aus denen Exsudate gesammelt wurden, hatte negative Auswirkungen auf die Hyphenreaktionen (Tawaraya et al.,, 1996), möglicherweise im Zusammenhang mit reduzierter Akkumulation von stimulierenden Verbindungen (Akiyama et al., 2002, 2005). Wieder im Boden, Giovannetti et al. (1993b) zeigten komplexe hyphale Verzweigungsmuster, die mit dem Myzelwachstum von Sporen an Wurzeln einer Reihe von Wirtsarten (Fragaria, Helianthus, Oncimum, Lycopersicon und Triticum) assoziiert waren, jedoch nicht an den Nicht-Wirten Brassica, Dianthus, Eruca oder Lupinus., Gleichzeitig wurden eine Reihe von Studien über die Auswirkungen verschiedener phenolischer Verbindungen eingeleitet, die von Wurzeln oder Samen produziert werden und die bekanntermaßen die symbiotische Entwicklung zwischen Rhizobium und Agrobacterium und ihren Wirten beeinflussen. Zusammenfassend haben Flavonoide konsistente stimulierende Wirkungen auf das Wachstum und die Verzweigung von Gi-Keimröhrchen. margarita und einigen Glomus-Arten (Gianinazzi-Pearson et al., 1989; Tsai und Phillips, 1991; Bécard et al., 1992; Buee et al., 2000) und kann auch zu einer vermehrten Besiedlung der Wurzeln durch die Pilze führen (Nair et al., 1991; Siqueira et al., 1991; Akiyama et al., 2002)., Es gab einige Inkonsistenzen in den Ergebnissen verschiedener Gruppen, die verwandte Verbindungen verwendeten, aber insgesamt schlugen sie vor, dass Flavonoide (manchmal zusammen mit erhöhtem CO2) Schlüsselsignalmoleküle sein könnten, die an der Stimulation der Bildung von presymbiotischem Myzel und Mykorrhiza und möglicherweise des gerichteten Wachstums in Richtung Wurzeln beteiligt sind (Vierheilig et al., 1998a). Diese Ansicht scheint nun falsch zu sein, da Flavonoide zwar stimulierend wirken, aber für die Mykorrhizabildung nicht wesentlich sind., Bécard et al (1995) zeigten deutlich, dass die Besiedlung in Wurzeln von Arten erfolgte, die keine Flavonoide produzierten, und dass Mutanten von Mais, die an Chalkonsynthase mangeln und daher keine Flavonoide produzieren können, normal kolonisiert werden. Es scheint am wahrscheinlichsten, dass eine andere lipophile Komponente von Wurzelexsudaten, die als Verzweigungsfaktor (BF) bezeichnet und kürzlich als Sesquiterpen identifiziert wurde, an einem verstärkten Myzelwachstum, Veränderungen der Morphogenese und den Prozessen beteiligt ist, die zu ihnen führen (Buee et al., 2000; Tamasloukht et al., 2003; Akiyama et al., 2005; Besser et al., 2006)., Die Verbindung ist in sehr niedrigen Konzentrationen aktiv und ist wahrscheinlich eher ein Signalmolekül als ein Nährstoff. In jedem Fall führt die erhöhte Verzweigung und Anastomose zur Bildung eines vergrößerten und miteinander verbundenen presymbiotischen Hyphalnetzes mit erhöhter Wahrscheinlichkeit, mit einer Pflanzenwurzel in Kontakt zu treten, um die Kolonisation einzuleiten, sowie zur Aufrechterhaltung der Integrität und Transportkapazität, wenn sie beschädigt ist.
Sporen einiger Arten scheinen angepasst zu sein, um Situationen zu überleben, in denen die Keimung nicht sofort von der Besiedlung der Wurzeln und dem Aufbau einer symbiotischen Beziehung gefolgt wird., Die Infektiosität der Sporen von Acaulospora laevis und Glomus caledonium wurde in Ermangelung geeigneter Pflanzen mindestens 4 Wochen in feuchtem Feldboden zurückgehalten, nahm jedoch zwischen 4 und 10 Wochen ab (Tommerup, 1984b). In ähnlicher Weise behielt das sporenbasierte Inokulum von G. intraradices die Infektiosität für bis zu 3 Wochen in feuchtem Boden bei Temperaturen bis zu 38°C bei (Haugen und Smith, 1992). Die Basis ist für diese Arten unbekannt, aber bei G. caledonium tritt ein programmierter Wachstumsstillstand der Keimröhren auf, wenn keine Pflanzenart für die Besiedlung verfügbar wird (Logi et al., 1998). Darüber hinaus Sporen von Gi., gigantea sind in der Lage, eine Reihe von Keimröhrchen nacheinander zu produzieren, wenn die früheren abgeschnitten werden (Koske, 1981), und es ist wahrscheinlich, dass eine Kernteilung auftritt, die die Kerne ersetzt, die während der Anfangsstadien des Wachstums zum Myzel migriert sind (Bécard und Pfeffer, 1993). Glomus epigaeus produziert sekundäre Sporocarps in Langzeitlagerung ohne intervenierende Besiedlung von Wurzeln (Daniels und Menge, 1980).
Insgesamt scheinen Sporen gut an ihre Rolle als Einheiten angepasst zu sein, die in der Lage sind, die Besiedlung in Wurzeln einzuleiten., Sie sind in der Lage, im Boden langfristig zu überleben, können aber in Abwesenheit von Wurzeln wiederholt keimen und eine geringe Stoffwechselaktivität aufrechterhalten. In Gegenwart von Wurzeln und stimuliert durch Wurzelexsudate treten metabolische Veränderungen auf, die zu erhöhter Verzweigung, Hyphalverlängerung und Wurzelkontakt führen. Die Hyphenanastomose zwischen eng verwandten presymbiotischen Myzelien führt zu größeren Myzelien, was wiederum zu erhöhten Chancen führt, dass die Pilzeinheit eine geeignete Wurzel abfängt, die Kolonisation einleitet und somit auf eine anhaltende Zuckerversorgung zugreift.