Zbornik gozdarstva in lesarstva, 49, 1996, s. 33 - 66 GDK 180:181.351 :181.45:106.203:172.8:161.38:161.4:174.7 Picea abies Karst: (497.12) TIPI EKTOMIKORIZE - TAKSONOMIJA, POMEN IN APLIKACIJE Hojka KRAIGHER• Izvleček Micelij mikoriznih gliv predstavlja osnovno povezovalno komponento v gozdnih ekosistemih, med gozdnim drevjem, pritalno vegetacijo in dekompozitorji v gozdnih tleh. V različnih sukcesijskih fazah gozda ter pod vplivi različnih stresnih dejavnikov se vrstna sestava in pogostost pojavljanja mikoriznih gliv spreminja. Učinkovitost sožitja med glivo in rastlino je odvisna od vrste glivnega partnerja, zato je identifikacija le-tega nujna pri študiju fiziologije gozdnega drevja in delovanja gozdnih ekosistemov. Posamezni tipi ektomikorize se ločijo po svojih morfoloških, anatomskih in fizioloških značilnostih. V prispevku je pregled anatomskih in molekularnih metod določanja tipov ektomikorize na primerih tipov ektomikorize iz nekaterih gozdnih sestojev v Sloveniji. Predlagamo perspektive tovrstnih raziskav v sklopu raziskav biološke raznovrstnosti in delovanja gozdnih ekosistemov ter bioindikacije onesnaženosti gozdnih rastišč. Ključne besede: mikorizosfera, tipi ektomikorize, identifikacija, karakterizacija, vloga v ekosistemu, bioindikacija TYPES OF ECTOMYCORRHIZAE-THEIR TAXONOMY, ROLE ANO APPLICATION Abstract The mycelium of mycorrhizal fungi represents the main component of forest ecosystems which links forest trees, ground vegetation and decomposers in forest soils. The species diversity and occurrence of mycorrhizal fungi can change at different sucessional stages of the forest, and under the impact of different stress factors. The functional compatibility of the fungal and plant symbiont depends on fungus species, therefore its ldentification is essential far studies on the physiology of forest trees and the functioning of forest ecosystems. Different types of ectomycorrhizae show different morphological, anatomical and physiological characteristics. A review of the anatomical and molecular method for determination of ectomycorrhizal types is presented on a few examples of Norway spruce ectomycorrhizae from severa! forest sites in Slovenia. Possible perspectives of these studies within the framework of studies on biological diversity, the functioning of forest ecosystems and bioindication of forest site pollution are discussed. Key words: mycorrhizosphere, types of ectomycorrhizae, anatomical characterisation, mo/ecular identification, role in the ecosystem, bioindication • dr., dipl. biol., dipl. inž. gozd., Gozdarski inštitut Slovenije, Večna pot 2, 1000 Ljubljana, SLO 34 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 49 VSEBINA 1 OPIS MIKORIZNE SIMBIOZE ............................................ 35 2 RIZOSFERA, MIKORIZOSFERA IN HIFOSFERA .............. 37 3 POMEN IN RAZŠIRJENOST OBLIK MIKORIZE ................ 39 4 MEHANIZMI DELOVANJA MIKORIZE ............................... 44 5 UČINKOVITOST SOŽITJA IN TIPI EKTOMIKORIZE ......... 45 5.1 Anatomska metoda določanja tipov ektomikorize ............... 46 5.2 Molekularne metode določanja tipov ektomikorize ............. 48 6 APLIKACIJE V GOZDARSTVU .......................................... 50 6.1 Raziskave gozdnih ekosistemov in mikobioindikacija obremenjenosti rastišč ........................................................ 50 6.2 Umetna obnova in pogozdovanje ....................................... 52 6.3 Gojenje užitnih mikoriznih gob ............................................ 54 7 POVZETEK ........................................................................ 55 SUMMARY ......................................................................... 55 ZAHVALA ........................................................................... 56 VIRI. .................................................................................... 57 PRILOGE ............................................................................ 64 1 OPIS MIKORIZNE SIMBIOZE 35 Kraigher, H.: Tipi ektomikorize ... Gozdni ekosistemi so funkcionalno in strukturno visoko organizirani sistemi biotskih in abiotskih komponent, povezanih v občutljivo dinamično ravnovesje. Posamezne komponente so povezane med seboj z miceliji mikoriznih gliv, ki živijo v simbiozi s koreninami rastlin. Prek njih poteka sprejem in prenos vode, hranil in asimilatov med gozdnim drevjem, pritalno vegetacijo, dekompozitorji in drugimi organizmi v gozdnih tleh. Stalno simbiozo med koreninami in hifami gliv je FRANK leta 1885 imenoval mikoriza (gr. mukes - gliva, rhiza - korenina) in jo definiral kot glivno korenino, ki deluje kot organ za sprejem vode in hranil. Razlikoval je dve obliki mikorize, ektotrotno mikorizo (danes jo imenujemo ektomikoriza) in endotrofno mikorizo (danes jo imenujemo endomikoriza). V simbiozi prihaja do dvosmernega pretoka hranil in asimilatov iz rastline v glivo ter vode in hranil iz glive v gostiteljsko rastlino (HARLEY / SMITH 1983). Gostiteljski rastlini se spremeni dolgoživost korenin, odpornost korenin na vdor patogenih organizmov, sposobnost kopičenja in imobilizacije ali selektivne absorbcije ionov toksičnih težkih kovin. Vse to omogoča rastlini rast in razvoj v različnih stresnih pogojih v okolju. Endomikorizo soustvarjajo neseptirane filamentne glive iz poddebla Zygomycotina (vrste iz rodov Endogone, Gigaspora, Acau/ospora, Glomus, Sclerocystis). Njihove hite lahko vstopajo v celice primarne skorje korenin, kjer lahko tvorijo spirale, grmičke (arbuskule) in vezikle. Prevladujoča oblika endomikorize, ki se je do nedavnega imenovala vezikularno-arbuskularna mikoriza (VAM) (po HARLEY / SMITH 1983), po novem se imenuje arbuskularna mikoriza (AM), se pojavlja pri večini (čez 90%) vrst rastlin (TESTER /SMITH/ SMITH 1987). V ektomikorizi tvori gliva plašč iz hit, ki objema korenino v absorbcijski coni. Iz glivnega plašča lahko izraščajo posamezne hite ali bolj ali manj diferencirani povezki hif (rizomorfi) v talni substrat. Hite se razraščajo tudi med celicami primarne skorje korenine in tvorijo kompliciran medcelularni sistem, imenovan Hartigova mreža. Ta sega največ do meje endoderma, nikoli v celice endoderma ali mednje in v centralni cilinder. Glive, ki soustvarjajo to mikorizo, sodijo v poddebla Ascomycotina (npr. E/aphomyces, Tuber itd.), Basidiomycotina (Amanita, Hebe/oma, Lactarius, Russu/a, Paxi/lus, Boletus, 36 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 49 Sui/lus, The/ephora, Rhizopogon, Sc/eroderma, Pisolithus itd.), rod Endogone iz poddebla Zygomycotina in Deuteromycotina - Fungi lmperfecti (Cenococcum, Chloridium itd.) (HARLEY / SMITH 1983). Približno 3% vseh rastlin, predvsem gozdnih drevesnih vrst, je ektomikoriznih (MEYER 1973). Ektomikoriza nastopa pri vrstah iz družin Pinaceae, Fagaceae, Betulaceae, Salicaceae idr. (HARLEY / HARLEY 1987). Preostale oblike mikorize imajo nekatere značilnosti obeh zgoraj opisanih oblik mikorize. Pregledno (po KILLHAM 1994 in HARLEY / SMITH 1983) jih delijo na: - Ektendomikorizo, za katero sta značilna glivni plašč in Hartigova mreža, hife gliv pa vstopajo tudi v notranjost celic primarne skorje. Razvita je pri nekaterih, sicer ektomikoriznih rodovih cvetnic, soustvarjajo jo glive iz poddebel Ascomycotina in Basidiomycotina. - Erikacejsko mikorizo, pri kateri ločimo arbutoidno in erikoidno mikorizo. Pri erikoidni ni razvit hifni plašč, hife gliv se razraščajo med celicami in znotraj celic primarne skorje. Razvita je pri družini Ericaceae, rodovih Calluna, Vaccinium, Rhododendron, Erica, soustvarjajo jo glive iz skupine Ascomycotina, predvsem rod Pezizella. Pri arbutoidni mikorizi je razvit hifni plašč, Hartigova mreža, hife pa se razraščajo tudi znotraj celic primarne skorje. Nastopa pri rastlinah iz družin Pyrolaceae, Monotropaceae, Ericaceae - rodova Arbutus in Arctostaphy/os, soustvarjajo jo glive is skupine Basidiomycotina (Boletus) idr. Nekateri avtorji (KILLHAM 1994) izdvajajo monotropoidno mikorizo, ki nastopa pri družini Monotropaceae kot posebno obliko mikorize, predvsem zaradi prenosa organskih hranil od glive k višji rastlini. - Orhidacejsko mikorizo - pri tej tvorijo hife gliv spirale in druge skupke hif znotraj celic embrija in korenin rastlin iz družine kukavičnic (Orchidaceae). Glive sodijo v skupino Basidiomycotina in so sicer znane kot parazitske ali saprofitske glive na višjih rastlinah (npr. Rhizoctonia, Armillaria, Corio/us). Ta oblika predstavlja prehod med mutualistično in parazitsko obliko sožitja in tudi v njej se prenašajo organska hranila od glive k višji rastlini. Značilnosti posameznih oblik mikorize so pregledno prikazane v preglednici 1. 37 Kraigher, H .. Tipi ektomikorize. Preglednica 1: Značilnosti in simbiontf v različnih oblikah mikorize (prirejeno po HARLEY I SMITH 1983 in KILLHAM 1994) Table 1: Characteristfca/ features and groups of symbionts constftufing different forms of mycorrhizae (modified after HARLEY I SMITH 1983 and KILLHAM 1994) m~lil<~"' ·::, it' jih': .!$Jf~;";"•>:•or,f>,nc:;,,•,. ,,, ' ;•;;i51";:::,,,l':,, ektomikoriza plašč, Hartigova Zygomycotina, Pinaceae, Fagaceae, mreža, izhajajoče hife Ascomycotfna, Betu/aceae, Sa/icaceae in rizomorfi Basidiomycotfna, (v severnih zmernih in Deuteromycofina borealnih klimatih), Dipterocarpaceae (tropi), Myrtaceae, Fagaceae (južna oolobla\ endomikoriza, najbolj arbuskuli-grmički in Zygomycotina ca 90% vseh rastlinskih pogosta arbuskularna vezikli znotraj celic (Endogone, vrst (semenke, mikoriza primarne skorje Gigaspora, praprotnice, posamezni Acaulospora, mahovi) Glomus) ektendomikoriza plašč, Hartigova Ascomycotina, nekateri sicer mreža, intracelulama Basidiomycotyna ektomikorizni rodovi razrast hif semenk erikoidna mikoriza inter- in intracelularna Ascomycotina Ericaceae razrast hif arbutoidna mikoriza plašč, Hartigova Basidiomycotfna Ericaceae (Arbutus, mreža in intracelularna Arctostaphylos) razrast hif monotropoidna mikoriza plašč, Hartigova Basidiomycotina Monotropaceae mreža in intracelularna razrast hif orhidacejska mikoriza intracelularne spirale Basidiomycotyna Orchidaceae hif, prehod med (Rhizoctonia, simbiontsko in Armillaria .. .) parazitsko obliko sožitia 2 RIZOSFERA, MIKORIZOSFERA IN HIFOSFERA Po definiciji (CURL / TRUELOVE 1986) je rizosfera 'volumen tal v neposredni bližini korenin, ki je pretežno pod vplivom rastline (glede sprejema vode in hranil, eksudatov, dihanja itd.)'. Rizosfero lahko delimo na (slika 1): eksorizosfero (O - 1500 µm), ki vključuje notranjo eksorizosfero (O - 15 µm) in endorizosfero, ki sega po apoplastu od površine rizoderma do endoderma v korenini. 38 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 49 Slika 1: Figure 1: eksorizosfera notranja eksor endorizosfera endoderm rizoderm izosfera ja primarna skor centralni cilind er -=ri rizoplan //- ~ ~ ~ cona koreninskih laskov m ikorizna cona C ona elongacije C ona diferenciacije J a pikalni meristem koreninska čepica Delitev rizosfere in rastnih con korenine (prirejeno po CURL I TRUELOVE 1986) Schematic presentation of the rhizosphere and the root growth zones (modified after CURL / TRUELOVE 1986) Rizosfera se razlikuje od okolnih tal (po CURL / TRUELOVE 1986; MARSCHNER 1991) po: - nižjem pH (H+-K+ črpalke, izločanje organskih kislin), - višjem redoks potencialu in redukcijskih procesih, - nižjem vodnem potencialu, - nižjem parcialnem tlaku kisika in višjem parcialnem tlaku C02, - višjih koncentracijah topnih ogljikohidratov (koreninskih eksudatov: rastnih regulatorjev, flavonoidov, organskih kislin, fitosideroforjev, kislih fosfataz), zato je v njej do treh redov velikosti večje število mikroorganizmov na gram tal in drugačna vrstna sestava teh organizmov. Ker je večina absorpcijskih korenin v naravnih pogojih mikorizna, se pogosto termin rizosfera razširi na termin mikorizosfera, t.j. 'rizosfera mikorizne korenine' (CURL / TRUELOVE 1986). V tem delu gozdnih tal prihaja do multiplih simbioz med bakterijami, mikoriznimi glivami in gozdnim drevjem, npr. med mikoriznimi 39 Kraigher, .H.: Tipi ektomikorize . . koreninami iglavcev in listavcev, ki tvorijo simbiozo z bakterijami, fiksatorji dušika (simbioza Alnus/Frankia (ARNEBRANT et al. 1993), simbioza Rhizobium/Roblnia, simbioza Rhizobium-Bradirhizobium/Genistae (WERNER 1992)) ter med kompleksom spremljevalnih bakterij, ki pomagajo pri vzpostavljanju simbioz in rasti rastlin ('bakterije pomočnice mikoriznim glivam' (mycorrhization helper bacteria, GARBA YE 1994) in 'bakterije pospeševalke rasti' (plant growth promoting bacteria, MclNTYRE / PRESS 1991)). Uspešnost mikoriznih gliv pri sprejemu vode in hranil je v veliki meri odvisna od anatomije in fiziologije micelija gliv zunaj vplivne cone korenin, t.j. ekstramatričnega micelija. Podobno kot vplivajo na svojo okolico nemikorizne korenine v rizosferi, vplivajo na svojo okolico hite v 'hifosferi' (MARSCHNER 1992), ki predstavlja mikorizosfero in vplivno območje hif ekstramatričnega micelija. Procesi na stičišču hif in tal so odvisni od oblike mikorize (endo-ekto mikoriza), vrstnih značilnosti mikoriznih gliv in posebnosti njihovih različnih izolatov ali sevov. Hifosfera predstavlja v gozdnih tleh večino organskega horizonta tal, ki je v naravnih gozdnih ekosistemih povsem preprežen z ekstramatričnim micelijem. Za primer naj navedemo, da se je posamezni individuum mikorizne glive Suil/us bovinus, ki ne tvori posebno diferenciranih rizomorfov (povezkov hif), razprostiral v 100-letnem gozdu na švedskem do 20 m daleč (DAHLBERG 1992). V ZDA pa so z analizo DNA ugotovili, da se je en sam individuum glive Armillaria mel/ea, ki tvori visoko diferencirane rizomorfe, razrasel vsaj na površini 15 hektarjev, tehtal je vsaj 10.000 kg in obdržal isto genetsko strukturo več kot 1.500 let (torej je bila njegova starost vsaj tolikšna) (SMITH / BRUHN / ANDERSON). 3 POMEN IN RAZŠIRJENOST OBLIK MIKORIZE Vsaka oblika mikorize je povezana z določenim ekosistemom in s talnim okoljem, ki se razlikuje glede hitrosti dekompozicije, mineralizacije, dostopnosti hranil in dinamike ekosistemov (Preglednica 2). READ (1991) dokazuje, da so se posamezne oblike mikorize razvijale vzporedno z razvojem ekosistemov. Specifični klimatski in edafski pogoji v okolju so vplivali na klimazonalno razporeditev tako rastlin kot oblik njihove mikorizne simbioze. 40 Zbornik gozdarstva in lesarstva, 49 Erikoidna mikoriza je razvita predvsem na večjih nadmorskih višinah in geografskih širinah, v kislih tleh, kjer je proces mineralizacije organskih snovi zavrt. Prihaja do kopičenja nerazkrojenih organskih ostankov in do kopičenja surovega humusa. čas dekompozicije je daljši od petih let, pH tal je nizek, pod 3.5, C/N razmerje je veliko, okoli 120. Za mikorizne glive, ki soustvarjajo te ekosisteme, je značilna poudarjena sposobnost izkoriščanja organsko vezanega dušika in imobilizacije ionov toksičnih kovin (READ 1991). Arbuskularna mikoriza (AM) prevladuje na manjših nadmorskih višinah in geografskih širinah, kjer je hitrost mineralizacije hitra, zato prihaja tudi do hitrega spiranja hranil. Tip humusa je sprstenina, C/N razmerje je majhno (20-30), pH tal je med 4.5 in 6.5. čas dekompozicije je 1-2 leti. Višji pH vpliva na slabšo topnost fosforja, ki postane glavni omejitveni dejavnik rasti v teh sistemih. Glive, ki soustvarjajo AM, omogočajo boljše izkoriščanje dostopnega in sproščanje nedostopnih oblik fosforja (READ 1991). Preglednica 2: Glavne interakcije v sistemu tla - mikorizosfera - višja rastlina v nekaterih kopenskih biomih (prirejeno po READ 1991) Table 2: The major interactions in the system soil-mycorhizosphere-higher plant in some terrestrial biomes (modified after READ 1991) Oblika mikorize / Erikoidna mikoriza Ektomiko'li'tža .