TIPURI DE RELATII INTRE MICROORGANISME

TIPURI DE RELATII INTRE MICROORGANISME

Starr si Chatergee (1972) clasifica interactiiunile dintre microorganisme pe baza a trei criterii fundamentale:

1) dupa localizare si modul de existentia in raport cu altele: comensalism, simbioza, parazitism, pradare;

2) in functie de rezultatul asocierii: neutralism, mutualism, antagonism

3) in functiie de gradul de dependentia a asociatiiei: accidental, facultativ, obligatoriu.

Unele interactiiuni sunt pozitive (benefice): comensalismul, protocooperarea si mutualismul. Altele sunt negative (competitiia, amensalismul). Unele sunt benefice pentru un partener si daunatoare pentru celalalt (parazitismul, pradarea), iar altele sunt de indiferentia (neutralismul).

Interactiunile posibile intre populatiile a doua specii de microorganisme (adaptat dupa Odum, 1971).

Neutralismul

Asocierea de tip neutral este lipsita de influente reciproce, dar este considerata putin probabila in mediile naturale. Neutralismul este favorizat de mediile cu conditii restrictive care permit cresterea microorganismelor cu o rata minima sau pentru cele foarte diferite sub raportul exigentelor nutritive, adica nu intra in competitie pentru aceiasi nutrienti.

Interactiiuni negative

Interactiunile negative se manifesta in special la densitati mari ale microorganismelor si influenteaza viteza de crestere a uneia dintre populatii. Interactiunile negative includ :

- competitia pentru un substrat disponibil

- producerea de compusi toxici de catre una dintre populatii cu efect nociv pentru alta

- acumularea de metaboliti cu efect inhibitor pentru alte specii (acizi organici, H₂S)

- parazitism sau pradare.

Competitia are importanta fundamentala pentru toate organismele din natura. Competitia este rezultatul diversitatii microorganismelor, iar dezvoltarea lor depinde de fondul comun de resurse nutritive ale mediului.

Competitia defineste efectul negativ al unui organism asupra altuia, ca rezultat al epuizarii unei surse din mediu ( sursa de C, N, P, factori de crestere).

Au fost descrise doua tipuri de competitie:

1)Competitia interspecifica defineste interactiunea negativa dintre doua sau mai multe specii care diminua sau inhiba cresterea uneia dintre ele. De exemplu, bacteriile din mediile naturale sunt mai bine adaptate decat cele alohtone.

2) Competitia intraspecifica are loc intre tulpini ale aceleiasi specii. De exemplu, cresterea mai intensa a bacteriilor patogene virulente in culturi, in competitie cu mutantele avirulente.

In relatia de competitie, influentele adverse se realizeaza indirect. Competitia intre doua specii de microorganisme diferite fiziologic, cu rate diferite de multiplicare, dar care necesita aceiasi sursa de energie, duce la excluderea unuia dintre competitori. Competitia avantajeaza microorganismul cu o rata mai mare de crestere, care decurge din eficienta superioara de utilizare a nutrientilor limitanti, din capacitatea de a sintetiza si stoca substante de rezerva, precum si factori de crestere. Prototrofele sunt avantajate fata de auxotrofe.

Factorii abiotici ai mediului influenteaza competitia: pH, temperatura, concentratia O₂, a sarurilor, toleranta la desicatie. De exemplu, la temperaturi scazute sunt avantajate microorganismele psichrofile, care se multiplica cu rate mai mari, putand exclude pe cele psichrotrofe. La temperaturi mai ridicate, situatia este inversa, fiind avantajate psichrotrofele.

Amensalismul este un tip de interactiune negativa, intalnita in comunitatile de microorganisme cu mari densitati populationale. Amensalismul este caracterizat prin producerea de catre o specie de microorganisme, a unor substante solubile organice (acizi grasi, etanol, toxine, enzime litice etc.) sau anorganice (H₂O₂, NH₃, NO^-_2, H₂S, O₂ etc.), care influenteaza negativ cresterea altor microorganisme asociate din mediu.

Amensalismul are un caracter unidirectional, in sensul ca o singura populatie produce metaboliti toxici sau inhibitori.

Producerea de acizi organici sau anorganici modifica mediul natural, facandu-l inaccesibil microorganismelor sensibile. De exemplu, microorganismele autohtone de pe tegumentul uman produc acizi grasi, care nu permit colonizarea acestuia de catre bacteriile patogene.

Bacteriile sulf-oxidante (Thiobacillus thiooxidans) produc H₂SO₄, care scade valoarea pH a apelor de drenaj din mine la 1.0 - 2.0, conditii in care dezvoltarea microorganismelor acidosensibile este inhibata.

Producerea biogena si acumularea H₂S in anaerobioza (in sedimentele din ape, in solurile inundate) inhiba microorganismele pentru care H₂S este toxic.

Amensalismul este un fenomen benefic pentru microorganismele producatoare de substante toxice sau cu rol inhibitor, deoarece le confera avantaj competitiv. Populatiile sensibile sunt inhibate pana la eliminarea lor din mediu.

Amensalismul si antagonismul au importanta ecologica deosebita pentru ca determina distributia si marimea populatiilor de microorganisme. Fenomenul are si unele efecte benefice (de exemplu, eliminarea unor microorganisme pentru om, plante si animale). Tehnicile de conservare a alimentelor prin actiunea unor acizi (acetic, lactic, propionic) sau a etanolului se bazeaza pe acelasi fenomen.

Antibioza este fenomenul determinat de actiunea unor compusi chimici produsi de anumite microorganisme, care in concentratii mici au un efect inhibitor sau letal asupra altor organisme.

Antibioza a fost descoperita de Roberts (1874), care a descris sub denumirea de antagonism, efectul inhibitor exercitat de Penicilium glaucum asupra bacteriilor. Villemin (1889) a propus termenul de antibiotic, iar Fleming (1928), studiind antibioticul produs de P. notatum a deschis era aplicatiilor practice.

Multe microorganisme (eubacterii, actinomicete, fungi) produc mai multe antibiotice diferite (5-6), in proportii variabile, in functie de natura mediului de cultivare si de conditiile de crestere.

Desi antibioticele sunt produse pe scara industriala, sunt putine probe directe care atesta producerea antibioticelor in mediile naturale si de aceea nu se poate afirma categoric rolul lor in ecologia microorganismelor. Datele referitoare la producerea antibioticelor in vitro nu pot fi extrapolate la conditiile din sol. In conditii de laborator, inocularea unui numar mare de producatori intr-o proba de sol, a dat rezultate pozitive daca solul a fost in prealabil tratat termic sau daca s-a adaugat faina de soia.

Interactiuni pozitive

Interactiunile pozitive sunt relatii de tip cooperant care maresc rata de crestere a microorganismelor asociate. Efectul pozitiv se poate produce chiar intre celulele aceleiasi specii. De exemplu, formarea coloniilor asigura o utilizare mai eficienta a substantelor nutritive.

Interactiunile pozitive sunt foarte importante in mediile naturale, pentru degradarea compusilor chimici foarte rezistenti (lignina, hidrocarburi, diferite substante de sinteza) sau pentru producerea metabolitilor disponibili pentru alte microorganisme.

Cresterea coloniala este probabil o adaptare bazata pe interactiuni cooperante in populatie. De exemplu, producerea enzimelor degradative furnizeaza nutrienti pentru toti membrii coloniei, in timp ce cresterea diseminata a celulelor unei populatii duce la inaccesibilitatea nutrientilor prin dilutie. Chiar microorganismele mobile raman asociate in colonii, dar coloniile mobile ofera avantajul de a se deplasa in zonele mediului cu concentratii mari de nutrienti.

Comensalismul sau metabioza defineste cresterea asociata a doua specii de microorganisme, aflate intr-o relatie in care una profita de asociere, iar cealalta nici nu profita dar nici nu este influentata negativ.

Se disting doua categorii de microorganisme comensale:

a) ectocomensale - situate pe suprafata altor microorganisme, plante sau animale, de obicei prin intermediul unor structuri specializate de legare (fimbrii, structuri de tip crampon la Caulobacter);

b) endocomensale - prezente in tubul digestiv al animalelor.

Protocooperarea este o relatie de mutualism neobligatoriu si nespecific in care cei doi parteneri beneficiaza reciproc. De exemplu, relatia cooperanta dintre cianobacterii si bacteriile heterotrofe asociate tecii gelatinoase a acestora. Cianobacteriile elibereaza substantele organice, pe care bacteriile heterotrofe le utilizeaza ca substrat nutritiv. Asa se explica persistenta bacteriilor heterotrofe asociate cianobacteriilor si dificultatile de a obtine culturi axenice de cianobacterii.

Azotobacter fixeaza N₂, utilizand substante organice simple pe care le furnizeaza alte microorganisme care hidrolizeaza moleculele complexe.

Sinergismul este o forma de protocooperare intre doua sau mai multe tipuri de microorganisme prezente intr-un mediu, ce pot avea activitati foarte diferite, cantitativ sau calitativ fata de activitatile insumate ale acelorasi specii cultivate separat in mediul respectiv.

Asocierea a doua specii realizeaza un efect pe care fiecare in parte nu-l poate realiza, adica sinteza unui produs sau degradarea unui substrat complex.

Asociatia nu are un caracter obligatoriu, deoarece unul dintre membrii asociatiei poate fi inlocuit cu altul, iar cele doua organisme se pot dezvolta separat in mediul lor natural.

Relatia sinergica este greu de diferentiat de mutualism si comensalism. Mai este descrisa si sub denumirea de sintrofism. De exemplu, E. coli si S. faecalis produc putresceina din arginina, numai daca sunt cultivate impreuna si niciodata izolat. Ps. aureofaciens var. nonliquefaciens si Ps. fluorescens au activitate lecitinazica numai daca sunt cultivate impreuna.

Mutualismul este o asociatie reciproc benefica, o relatie care prezinta diferite grade de la asocieri laxe, pana la forme obligatorii intre specii de microorganisme sau intre micro- si macroorganisme. Mutualismul este considerat ca o extensie a sinergismului. De exemplu, Lactobacillus arabinosus 17-5 necesita fenilalanina pentru crestere, iar Str. faecalis R necesita acid folic. Nu cresc pe un mediu minimal dupa cultivare separata, dar cultivate impreuna furnizeaza culturi abundente. Fiecare specie sintetizeaza si elibereaza in mediu, factorul de crestere necesar celeilalte. Interactiunea nu necesita contactul intim intre celulele celor doua specii, deoarece moleculele sintetizate si eliberate sunt solubile si difuzibile.

Relatiile mutuale caracterizeaza asociatiile dintre bacterii si alge in mediul marin. Bacteriile produc vitamina B₁₂ necesara algelor, iar acestea elimina compusi glucidici de fotosinteza si CO₂.

Sintrofia corespunde situatiei in care unul sau mai multe microorganisme ale asociatiei actioneaza ca sursa de metaboliti majori sau minori pe care ii folosesc impreuna cu partenerii intr-o relatie de schimb metabolic (cross feeding). De exemplu, consortiul de microorganisme strans agregate (S.lactis, S.cremoris, Leuconostoc dextranicus, B. kefir si levuri) participa la fermentatia laptelui.

Simbioza

Conceptul de simbioza defineste "viatia impreuna" a unor organisme diferite, indiferent daca asocierea lor are efect benefic sau daunator asupra unuia sau ambilor parteneri.

In sens strict, termenul de simbioza denota o convietuire de lunga durata, in cursul careia doua sau mai multe specii diferite traiesc in relatii spatiiale directe, beneficiind reciproc din interactiunile lor.

In sens strict, termenul de simbioza corespunde conceptului de mutualism. Unele simbioze sunt determinate de interrelatia dintre doua microorganisme sau intre un microorganism si un un macroorganism.

In functie de localizarea microorganismelor simbionte se disting:

1) ectosimbioze - microorganismele raman in afara celulelor si tesuturilor gazdei (bacteriile inclavate in teaca gelatinoasa a cianobacteriilor, pe suprafata frunzelor, in cavitatile corpului etc.

2)endosimbioze (endocitobioze), cele in care microorganismul simbiont este localizat in celulele si /sau tesuturile gazdei, in general un organism mai mare.

In functie de gradul de dependenta se disting:

1) simbioze facultative. Cei doi parteneri pot exista in natura, liberi sau asociati. De exemplu, in prezenta unor cantitati adecvate de azot anorganic, bacteriile din g. Rhizobium si plantele leguminoase se pot dezvolta separat. De asemenea, fungii din licheni pot fi cultivati in vitro.

2) simbioze ecologic obligate - de exemplu, bacteriile si protozoarele din rumen care asigura degradarea celulozei la compusi intermediari accesibili gazdei.

3) simbioze efectiv obligate (ereditare), in care cei doi parteneri nu au existenta libera in natura si nu pot creste independent in vitro. Este cazul unor nevertebrate marine acre au nevoie absoluta de alge endosimbiote.

In functie de natura relatiei se disting:

a) simbioze mutualiste - adaptarea ambelor organisme este superioara cand traiesc impreuna, comparativ cu existenta lor separata.

b) simbioze parazitare - unul dintre parteneri este mai adaptat in asociatie, decat atunci cand traieste separat.

Dupa Dubois (1965), termenii de simbioza mutualista sau parazitara implica in mod necesar o permanenta a relatiei, care frecvent are un caracter dinamic. De exemplu, unele microorganisme parazitare candva, au evoluat spre comensalism sau spre simbioze mutualiste sau invers, prin trecerea de la mutualism sau de la comensalism, la parazitism patogen (microbiota intestinala la organismele imunosupresate sau iradiate).

Simbioza implica un anumit grad de permanenta (persistenta sa in cea mai mare parte a vietii organismelor participante) si o anumita specificitate (alegerea partenerului nu este intamplatoare, ci se bazeaza pe un grad semnificativ de selectivitate). Aceste doua particularitati deosebesc simbioza de protocooperare.

Specificitatea este o proprietate conditionata de particularitati ale ambilor parteneri si se bazeaza pe fenomene de recunoastere reciproca. Fiecare partener participa cu o serie de factori mai mult sau mai putin critici pentru partenerul sau. Cu cat numarul factorilor care interactioneaza este mai mare, cu atat gradul de specificitate simbiotica este mai mare. Specificitatea accentuata corespunde capacitatii de simbioza cu un spectru limitat de asociati. Specificitatea extrema poate determina limitarea unui organism la un singur partener gazda sau la cativa parteneri inruditi. Invers, specificitatea redusa este expresia unei promiscuitati simbiotice excesive, reflectata prin capacitatea de asociere cu un numar mare de tulpini, specii si genuri. De exemplu, fungii din micorize pot infecta un numar mare de specii diferite de plante.

Mentinerea asociatiei simbiotice este conditionata de transmiterea eficienta de la o generatie la alta. Pentru endosimbioze, transmiterea se face in mod direct sau prin infectie.

Transmiterea directa corespunde situatiei in care microorganismele traiesc permanent in tesuturile gazdei, trecand de la o generatie la alta.

Transmiterea prin infectie este intalnita in cazul in care endosimbiontii raman intracelular numai o parte din ciclul de viata al gazdei. Intr-o anumita etapa, ei sunt eliberati in mediul extracelular, astfel incat fiecare generatie a gazdei trebuie reinfectata cu simbiontii, care au temporar o existenta libera.

Adaptari consecutive simbiozei. Evolutia simbiozei in timp este asociata cu modificari structurale, biochimice si fiziologice, care furnizeaza caractere adaptative noi, utile pentru capacitatea organismelor asociate de a tolera conditii de mediu noi, uneori extreme si elimina o mare parte din organismele individuale. Specializarile aparute in timp, precum si pierderile unor functii ale partenerilor maresc gradul de specificitate a relatiei si dependenta reciproca a celor doi parteneri.

Evolutia simbiozelor. Dyer (1984,1989) propune urmatoarea succesiune de etape prin care o asociere simbiotica se integreaza treptat si devine progresiv "mai obligatorie":

1)Asocierea a doua organisme heterospecifice care schimba nutrienti cu un anumit avantaj selectiv. Cele doua organisme se comporta mai bine in asociatie, decat independent.

2)Presiunea selectiva asigura dezvoltarea armonioasa a celor doi parteneri, prin coordonarea activitatii metabolice si a ritmului de diviziune, astfel incat nici unul nu-l poate coplesi pe celalalt.

3)Disparitia structurilor si functiilor redundante. Initial, sunt pierdute enzimele produse de unul dintre parteneri, iar ulterior apar modificari structurale (de exemplu, simplificarea structurii parietale a cianobacteriilor endosimbiotice).

Simbioza foarte eficienta evolueaza spre coordonare la nivel genetic. Selectia actioneaza prin codificarea coordonata a produselor genelor esentiale, ducand la pierderea autonomiei ambilor parteneri. Relatia devine obligatorie si, in final, cele doua genomuri asociate functioneaza ca un genom mare perfect coordonat.

Rolul endosimbiozei in geneza celulei eucariote

Ipoteza originii simbiotice a organitelor celulare a fost propusa in 1850 de catre Altman si formulata ulterior in diferite variante.

Cea mai cunoscuta este ipoteza simbiozei seriale (Margulis, 1967, 1981) in acord cu care, mitocondriile, flagelii de tip eucariot, cloroplastele si microtubulii au fost la origine, bacterii libere, care au fost preluate prin endocitoza in asociere simbiotica, de o celula ancestrala mai mare. Se presupune ca ele au evitat digestia de catre gazda, obtinand de la aceasta o serie de nutrienti esentiali, iar la randul lor, furnizand excesul de sinteze.

Cu timpul, autonomia organismelor straine s-a pierdut progresiv, relatia evoluand spre o asociere simbiotica, in care gazda a preluat intregul control. Esentiala in acest proces a fost o modificare a sistemului genetic: o parte din determinantii genetici au fost translocati din genomul endosimbiontilor si incorporati in genomul nuclear al gazdei. Astfel, endosimbiontii si-au pierdut statutul de organisme, dobandindu-l pe acela de organite. Ei si-au pastrat insa capacitatea de a se replica (evidentiata la mitocondrii), de a-si mentine un genom propriu, care poate suferi modificari prin mutatii. Procesul s-a realizat in etape succesive:

1) Formarea protomitocondriilor s-a realizat in momentul in care o bacterie gazda heterotrofa facultativ anaeroba a inglobat o bacterie aeroba, posesoare a enzimelor ciclului Krebs.

2) Asocierea cu unele bacterii mobile anaerobe, asemanatoare spirochetelor actuale.

3)Endocitoza unor cianobacterii libere fotosintetizante.

Datorita acestor modificari, fenotipul unei plante este definit de trei sisteme genetice perfect integrate: cel nuclear propriu, genomul mitocondrial si genomul cloroplastelor. Din punct de vedere evolutiv, celula vegetala poate fi considerata ca rezultat al unei comunitati formata din trei specii de bacterii intim asociate, care isi coordoneaza activitatiile, pentru a produce fenotipul caracteristic.

Semnificatia biologica a simbiozelor. Organismele simbionte realizeaza un interschimb de nutrienti (factor esential pentru interactiunea partenerilor), protectie si dobandesc avantaje ecologice.

Avantajele nutritionale ale celor doi parteneri s-au demonstrat de cele mai multe ori. Produsele de fotosinteza sunt transferate totdeauna de la fototrofe la heterotrofe. Algele simbiotice elimina o cantitate mai mare de produsi de fotosinteza decat echivalentele lor in stare libera. Produsul de fotosinteza este eliberat in forma pe care partenerul heterotrof o poate utiliza in metabolismul propriu.

Simbiozele sunt foarte diversificate, ceea ce sugereaza rolul lor benefic pentru partenerii simbionti. Peste 150 de genuri de nevertebrate (Protozoa, Coelenterata, Porifera, Plathelminthes, Nemethelminthes, Molusca) adapostesc endosimbionti autotrofi (alge endozoice), ce pot fi grupati in trei categorii:

1) zooclorele - simbionti ai algelor verzi cu nevertebratele de apa dulce si cateva marine.

2) zooxantele - simbionti ai algelor galben-brune cu nevertebratele marine.

3) cianele - cianobacterii simbionte cu protozoare de apa dulce.

Sonnenborn (1938) a descris un tip de Paramecium, denumit killer, care elibereaza in apa un "principiu toxic", particular, factorul K, fata de care este imun, dar are efect letal fata de tulpinile sensibile. Factorul K este reprezentat de bacteria Caedibacter taeniospiralis, activa fata de P. aurelia. Endosimbiontul bacterian nu a fost cultivat in afara protozoarului, dar poate fi transferat de la un protozoar la altul prin mediul extern.

Simbioze insecte - microorganisme

Insectele si acarienii sunt adeseori asociati cu diferite microorganisme: bacterii, microfungi, protozoare. Gradul de asociere este diferit, de la contaminanti temporari din mediu, asocieri ectosimbiotice constante localizate in structuri specializate de tipul invaginarilor deschise in lumenul extremitatii posterioare a intestinului mijlociu, sau ca endosimbiont complet izolat.

Prezenta microorganismelor simbiotice este foarte raspandita, mai ales la organismele care se hranesc cu alimente incomplete: seva plantelor (saraca in compusi cu azot), cereale depozitate, lemnul (bogate in lignina, celuloza, hemiceluloze si sarace in compusi cu azot), lana, parul, penele (bogate in keratina si sarace in vitamine), sangele si serul sanguin uman si animal (deficitare in vitamina B).

Simbiontii sunt absenti la insectele hematofage cu metamorfoza completa, care, fiind omnivore in stadiul larvar si hranindu-se cu diferite resturi organice, stocheaza cantitati importante de vitamine si factori de crestere, pe care le pot utiliza in diferite faze ale reproducerii. Ca urmare, flebotomii, tantarii, simulidele etc., nu contin microorganisme simbiotice. Face exceptie Culex pipiens fatigatus care poarta simbionti intracelulari, probabil de tip Rickettsia, in intestinul mijlociu. Prin contrast, insectele hematofage cu metamorfoza incompleta(Pediculus, Cymex sp., musca tete), capusele si acarienii au toate simbionti in stadiul de nimfa, desi intestinul lor este steril (Brooks, 1964).

Endosimbiontii sunt localizati in celule specializate sau chiar gigante, cu grad inalt de poliploidie, numite bactericite (daca contin bacterii) si micetocite (daca contin fungi). Ele pot fi izolate si dispersate sau formeaza structuri diferentiate denumite micetoame, cu functia de a adaposti simbiontii.

Localizarea micetocitelor si micetoamelor este foarte variata: in epiteliul intestinal si simbiontii pot fi eliminati continuu in lumen; in tesutul mezodermic subiacent, iar uneori in tot corpul. La gandaci si la homoptere, micetocitele sunt raspandite in peretele intestinului mijlociu sau inclavate in corpul gras (un tesut lax discontinuu, situat de-a lungul cavitatii corpului). La Curculionidae (Apion pisi), doi dintre cei 6 tubuli malpighieni au devenit micetoame sub forma unor distensii globulare.

Ectosimbioze. Capacitatea insectelor xilofage de a se dezvolta pe substratul lemnos (cu mare deficit de proteine, steroli, vitamine) este conditionata de asocierea lor cu levuri si fungi filamentosi.

Intre microorganismele si insectele xilofage se stabilesc relatii cu caracter reciproc benefic, care fie favorizeaza utilizarea materialului lemnos, fie furnizeaza insectelor biomasa microbiana ca principal nutrient.

Interactiunea cea mai simpla a insectelor cu fungii are loc in galele ce se formeaza dupa depunerea oualor in tesuturile vegetale (muguri, frunze sau tulpini). Probabil ca insecta depune si spori fungici care germineaza si cresc parazitar pe tesutul galelor, formand un strat gros micelial, ce tapeteaza interiorul acestora.

Relatia simbiotica este simpla: insecta asigura transmiterea fungilor intr-un mediu protejat in care se dezvolta, degradand tesutul galei la compusi ce pot fi utilizati de insecte. Acestea se hranesc si cu seva produsa de tesutul vegetal lezat.

Fungii simbionti furnizeaza gazdei vitamine, aminoacizi, factori de crestere (biotina, tiamina, acid pantoteic, mezoinozitol, acid folic, acid nicotinic etc.) sau imbogatesc echipamentul enzimatic al gazdei: amilaze, celulaze, pectinaze, hemicelulaze, lipaze, proteaze, care maresc capacitatea acestora de a degrada unele substante neobisnuite.

Simbiozele fixatoare de N₂

Simbioza Rhizobium-plante leguminoase. Aproximativ 1 200 de specii de plante leguminoase, din cele 12-14 000 existente sunt capabile sa stabileasca simbioze cu bacteriile fixatoare de N₂: o parte dintre membrii familiilor Mimosaceae si Papilionaceae (Fabaceae) si 30% dintre Caesalpinaceae. Exceptia o constituie Trema cannabina (Ulmaceae). Probabil ca simbioza diazotrofa a fost o proprietate generala a leguminoaselor, pierduta de unele genuri si specii dupa divergentia evolutiva a celor trei familii.

Leguminoasele au seminte bogate in proteine (circa 25%), comparativ cu graul (circa 10%) si nevoia suplimentara de azot a fost, in cursul evolutiei, unul dintre factorii care au stimulat asocierea fixatorilor de N₂ cu aceste plante.

Simbiontul bacterian. Celulele de Rhizobium sunt prezente in sol in numar variabil, in functie de conditiile locale: 10² - 10⁵/g in solul recent cultivat, lipsit de plante, 10⁵ - 10⁸/g sol in prezenta plantelor si 10⁶ - 10¹¹ in rizosfera de trifoi.

In functie de viteza cu care cresc in culturi axenice au fost descrise doua categorii de bacterii simbiontice: a) cele care se multiplica rapid, cu durata unei generatii de circa 6 ore (R. leguminosarum, R. trifolii, R.phaseoli, R.meliloti); b) bacteriile cu ritm lent de multiplicare din g. Bradyrhizobium (B. japonicum), care infecteaza Glycine max (soia) si Vigna sinensis. Ele produc exopolizaharide, polizaharide capsulare si lipopolizaharide, cu rol in aderentia celulelor bacteriene la suprafatia radiculara si in asigurarea specificitatii de gazda.

Specificitatea interactiunii dintre bacterii si plante este consecinta unor fenomene de control ce se petrec la mai multe nivele:

1) dezvoltarea tulpinilor de Rhizobium in rizosfera leguminoaselor, controlat de ambii parteneri ai simbiozei;

2) controlul legarii bacteriilor de perii radiculari

3) deformarea perilor radiculari, efect foarte specific controlat de ambii parteneri;

4) infectarea perilor radiculari si formarea cordonului de infectie, de asemenea, un proces foarte selectiv;

5) evolutia abortiva a infectiilor neadecvate.

Multiplicitatea acestor mecanisme care actioneaza sinergic face posibil ca nici unul dintre ele sa nu aiba specificitate absoluta.

Specificitatea relativa a interactiunii dintre bacterii si plante sta la baza celor 6 grupuri de inoculare incrucisata:

1) grupul Pisum, infectat de R.leguminosarum, include specii de Vicia, Lathyrus, Lens;

2) grupul Trifolium, include speciile de trifoi, infectate de R.trifolii;

3) grupul Glycine, infectat numai de Bradyrhizobium japonicum;

4) grupul Medicago, cu specii de Melilotus, Trigonella, infectate de R. meliloti;

5) grupul Phaseolus include specii de fasole infectate de R. phaseoli;

6) grupul Lupinus - Vigna - Lotus infectat de R. lupini.

Natura constituientilor implicati in recunoasterea specifica este controversata, dar un rol important in interactiunea specifica a celor doi parteneri este atribuit lectinelor.

Lectinele sunt glicoproteine produse de plante si animale, cu afinitati specifice de legare. Datorita capacitatii lor de a aglutina hematiile si datorita originii lor vegetale (initial au fost izolate de la Ricinus communis) s-au denumit fitohemaglutinine. Denumirea generica de lectine vine de la latinescul legere (a alege, a selecta) si reflecta proprietatea selectiva de legare cu anumite glucide libere sau conjugate.

Lectinele ar indeplini urmatoarele functii:

- functia de anticorpi ai plantelor, cu rolul de a neutraliza microorganismele patogene din sol;

- rol in transportul si/sau stocarea glucidelor in plante;

- rol in organizarea glicopeptidelor cu activitate enzimatica in sisteme multienzimatice;

- rol in diferentierea celulelor si in recunoasterea intercelulara;

- asigurarea specificitatii de legare Rhizobium - leguminoase.

Lectinele sunt localizate la nivelul perilor absorbanti sub forma unor "petice" mici, dense, la extremitatea acestora.

Receptorii de lectine de pe suprafata bacteriilor sunt de natura glucidica si sunt localizati pe polizaharidele capsulare si extracapsulare sau pe lipopolizaharide.

Specificitatea interactiunii dintre bacterii si leguminoase a permis definirea taxonomiei g. Rhizobium si pe de alta parte, pe aceea a grupelor de inoculare incrucisata. Plantele unui grup produc lectine similare.

Interactiunea Rhizobium/leguminoase implica existenta unor fenomene de compatibilitate intre cei doi parteneri, iar incompatibilitatea limiteaza infectia.

Polizaharidele bacteriene sunt foarte importante pentru initierea procesului de infectiie. Mutantele necapsulate nu produc deformarea perilor radiculari.

Primul eveniment vizibil dupa contactul bacterie-radacina este deformarea si rasucirea (curbarea) perilor. Desi celulele de Rhizobium interactioneaza cu toti perii radiculari, numai circa 25% sunt deformati efectiv, printr-un proces de stimulare locala a cresterii. Deformarea este produsa numai de tulpina bacteriana omologa, ceea ce denota caracterul de specificitate al acestei faze.

Celulele de Rhizobium sunt atrase (chimiotactism pozitiv) in rizosfera, de flavonoidele capabile sa induca exprimarea genelor nod. In prezenta exudatului radicular si a flavonoidului luteolina, Rhizobium sintetizeaza si excreta un factor extracelular, produs al genelor nod. Factorul a fost identificat la R. meliloti ca tetrazaharid al D-glucozaminei, sulfatat b-1,4 in care grupele amino sunt acetilate, iar una este acilata cu un acid gras C₁₆.

Formarea nodozitatilor. Nodozitatile sunt rezultatul multiplicarii si hipertrofiei anormale, dar limitate, a celulelor corticale stimulate de infectia cu Rhizobium. Nodozitatile asigura conditiile necesare fixarii N₂, furnizand sistemul vascular prin care apa, sarurile, sursa de carbon din planta devin disponibile pentru fixarea N₂ si pentru alte procese metabolice ale celor doi simbionti.

Inductia formarii nodozitatii implica o interactiune complexa intre Rhizobium si planta gazda specifica, ce evolueaza in mai multe etape.

Concomitent sau la scurt timp dupa initierea formarii cordonului infectios, celulele corticale complet diferentiate (care in mod normal nu se divid), incep sa se multiplice, stimulate fiind de substantele produse de bacterii. Genele pentru nodulare (nod) de la Rhizobium sunt activate de molecule mici din categoria hidroxiflavonelor, sintetizate de planta.

Rolfe si colab. (1986) au stabilit urmatoarele etape in formarea nodozitatilor la trifoi:

1) bacteriile din rizosfera raspund la compusii secretati de planta, care stimuleaza exprimarea genelor de nodulare, eliberand o serie de substante care induc deformarea perilor radiculari si sinteza receptorilor specifici de legare a lectinelor de pe suprafata celulelor vegetale;

2) dupa legarea de perii radiculari, celula de Rhizobium strabate peretele celular al acestora in circa 24 ore de la expunere.

Nucleul celulei infectate migreaza spre situsul parietal de patrundere. Bacteriile protejate de polizaharidele extracelulare inainteaza spre cortex, in interiorul cordonului de infectie (fig. 161) in care se multiplica. Cordonul infectios este o structura tubulara, derivata din celula gazda, prin care bacteriile dispuse in sir unic, traverseaza celulele radiculare pentru a ajunge de la suprafata parului absorbant, in cortex, la nivelul primordiului nodozitatii.

Fig. 161. Imagine electrono-optica a cordonului infectios produs de Rhizobium sp. in parul radicular de Trifollium pratensae (original).

Structura nodozitatii. Infectia cu Rhizobium declanseaza activitatea mitotica a celulelor cortexului radicular, rezultatul fiind formarea nodozitatii caracteristice cu o structura diferentiata zonal.

Regiunea periferica este reprezentata de cortexul nodozitatii, format din mai multe straturi de celule diploide si este strabatuta de fascicule vasculare rudimentare.

Zona meristematica, situata in regiunea distala a nodozitatii este formata din celule diploide neinfectate. Prin diviziune, ele asigura cresterea nodozitatii, dar si forma ei (meristemele emisferice genereaza nodozitati sferice, cele apicale - nodozitati alungite, iar cele bifurcate - nodozitati ramificate).

Regiunea centrala este alcatuita din trei zone distincte, ce se succed de la zona meristematica spre baza nodozitatii, legata de parul absorbant:

- zona de invazie, adiacenta meristemului, este formata din celule neinfectate care au endocitat bacterii eliberate din cordonul infectios;

- zona simbiotica ocupa portiiunea majora si este alcatuita din doua subzone: a)zona simbiotica timpurie contine celule gazda alungite (38-62 mm) si bacterii care inca mai prolifereaza; b)zona simbiotica tardiva contine celule gazda hipertrofiate, poliploide, incarcate cu bacterii diferentiate la stadiul de bacteroizi. Celulele gazda au nucleu hipertrofiat, un numar mare de mitocondrii, plastide si poliribosomi;

- regiunea de senescenta, caracteristica nodozitatilor batrane, corespunde celulelor vegetale si bacteroizilor in curs de degenerare sau moarte.

Eliberarea bacteriilor din cordonul infectios. Dupa ce filamentul infectios a strabatut o serie de straturi ale cortexului radicular, bacteriile sunt eliberate fie in spatiile intercelulare, fie in interiorul celulelor meristematice ale viitoarei nodozitati. Bacteriile eliberate sunt delimitate de o membrana peribacteroidiana.

Dupa eliberarea din cordonul infectios, in citoplasma celulei vegetale, celulele de Rhizobium se diferentiaza in forme endosimbiotice - bacteroizi - care fixeaza N₂ (fig. 162). Numarul bacteroizilor/celula vegetala este variabil (circa 1000 la R. trifolii - deoarece multiplicarea inceteaza relativ timpuriu dupa infectie si 3 - 4 x 10⁴ in sistemul B. japonicum/soia).

Fig. 162. Imagine electrono-optica a bacteroizilor din nodozitatea radiculara de t. pratensae (original).

Bacteroizii sunt celule cu un perete celular subtire si mai putin rigid, modificare care favorizeaza trecerea nutrientilor din citosolul vegetal in bacteroid si a NH₄⁺ in sens invers. Volumul lor depaseste de cateva zeci de ori pe acela al celulelor libere, iar forma este sferica, poliedrica, piriforma sau de Y. Bacteroizii sunt celule specializate functional: contin complexul enzimatic al nitrogenazei, leghemoglobina, rezerve mari de poli-β-hidroxibutirat si glicogen. Dupa eliberarea din nodozitatile senescente, in sol bacteroizii revin la forma bacilara si pot relua multiplicarea. Stadiul de endosimbiont reprezinta numai o faza a ciclului de viata.

Fiziologia nodozitatii. Celulele de Rhizobium, libere, in absenta interactiunii cu plantele leguminoase, nu contin nitrogenaza si nu fixeaza N₂.

Procesul fixarii N₂ este energo-intensiv, iar plantele reprezinta sursa finala de energie si de potential reducator. Compusii cu carbon, proveniti din planta furnizeaza nu numai energia necesara, ci si structurile chimice care leaga azotul fixat.

Compusul major furnizat de planta, tesutului nodozitatii este zaharoza, care este in prealabil hidrolizata de o invertaza de origine vegetala. Sistemul fixator de azot in perioada de activitate maxima utilizeaza circa 22% din cantitatea neta de fotosintat produs de planta. Bacteroizii contin sistemul enzimatic - nitrogenaza - codificat de genele nif, singurul capabil sa reduca N₂ la la NH ⁺₄. Produsul final al fixarii este NH₃, care este excretat de bacteroizi in citosolul vegetal, unde este convertit la glutamina, asparagina si o serie de alti aminoacizi. Procesul implica reactiile cuplate ale glutamin-sintetazei si glutamat-sintazei, a caror concentratie in nodozitati este de cateva ori mai mare decat in radacina.

Glutamin-sintetaza transfera gruparea amino de la NH₃, fie la aspartat cu formare de asparagina, fie la a-cetoglutarat (rezultat in ciclul Krebs din glucoza) pentru a forma glutamat. Asparagina, glutamina si glutamatul reprezinta surse importante de azot pentru plante.

Simbiozele asociate. Fixarea azotului in rizosfera

Rizocenozele sunt asocieri cu diferite grade de interactiune intre unele bacterii libere fixatoare de azot si diferite specii de plante. Tarrand si colab. (1978) le-au reunit in g. Azospirillum.

Rizosfera unui numar mare de graminee spontane sau a unor plante de cultura reprezinta un habitat ideal pentru dezvoltarea bacteriilor heterotrofe fixatoare de azot. Substantele organice provenite din resturile celulelor radiculare si exudatele solubile ale radacinii sunt preluate de bacteriile simbiotice, ca sursa de carbon si energie. Cele mai studiate sunt asocierile bacteriene descrise la porumb, grau, orz, trestia de zahar, precum si la o serie de graminee furajere tropicale.

Microorganismele implicate in acest tip de simbioze sunt: Azospirillum lipoferum, A. brasilense, A. amazonense, A. halopraeferans, Azotobacter paspali, Beijerinckia sp., Campylobacter sp.

Asociatiile au un anumit grad de selectivitate, in sensul ca radacinile unor plante ar elimina substante care, recunoscute de bacterii, ar favoriza aderenta lor preferentiala de perii radiculari. Asa se explica simbioza asociativa dintre A. paspali si planta Paspalum notatum.

Interactiunile asociative nu ating niciodata complexitatea simbiozei Rhizobium-plante leguminoase. A. paspali formeaza un manson in jurul radacinilor plantei, fiind protejate de o teaca mucilaginoasa. A. lipoferum se gaseste pe radacinile de porumb, iar A. brasilense, pe cele de grau si orez. Bacteriile strapung epiderma radiculara si infecteaza celulele corticale ale radacinii si se localizeaza chiar in celulele corticale superficiale ale radacinii sau in tesuturile corticale si vasculare fara sa formeze structuri diferentiate.

Cu exceptia orezului, toate plantele tropicale asociate cu bacterii fixatoare de azot fac fotosinteza de tip C₄. Produsul primar al fotosintezei lor este malatul, sursa optima de carbon pentru bacterii. Bacteriile lipsesc din rizosfera unui numar limitat de plante C₄, care, probabil produc compusi antibacterieni. Plantele cu fotosinteza de tip C₄ utilizeaza cu maxima eficienta CO₂, ca si lumina intensa si spre deosebire de plantele cu fotosinteza de tip C₃, exudeaza cantitati importante de carbon organic prin radacini, asigurand un substrat eficient bacteriilor heterotrofe. Fiziologia plantei este foarte importanta pentru activitatea nitrogenazica si se considera ca numai plantele care exudeaza cantitati mari de compusi metabolizabili au valoare agronomica.

Rolul simbiozelor asociative este deosebit de important in regiunile tropicale, unde mentin fertilitatea solului, in absenta ingrasamintelor azotate.

Eficienta acestor asociatii este limitata de lipsa unor sisteme specializate de transport care sa asigure aprovizionarea bacteriilor cu substrat energetic, precum si exportul produselor fixarii N₂.

Actinorizele. Simbioza Frankia-angiosperme neleguminoase

Actinorizele sunt asociatii simbiotice fixatoare de azot la cel putin 200 de specii de angiosperme, apartinand la 15 genuri si respectiv la 7 familii. Ele includ plante lemnoase, caracteristice zonelor cu deficit de azot combinat. Simbiontul apartine unui gen nou de actinomicete - Frankia - ce se gaseste in rizosfera plantelor si este capabil sa le infecteze.

Relatia implica un grad important de specificitate. S-au descris 10 specii de actimonicete specifice pentru diferite plante gazda: F. alni (Alnus), F. brunchorsti (Myrica), F. casuarinae (Casuarina), F. ceanothi (Ceanothus), F. cercocarpi (Cercocarpus), F. coriariae (Coriaria), F. discardiae (Discardia), F. dryadis (Drias), F. elaeagni (Elaeagnus) si F. purshiae (Purshia).

Studiul interactiunii actinomicetelor cu plantele gazda, efectuat in principal pe Alnus glutinosa, Myrica gale si Casuarina cunninghamiana, a evidentiat trei stadii de evolutie structurala si metabolica a microsimbiontului.

Faza de invazie corespunde stadiului in care Frankia sp., cu structura filamentoasa de tip hifal, ramificata si septata, infecteaza celulele corticale. Stadiul hifal persista in celulele corticale ale nodozitatii primare timp de 2 - 3 saptamani, formand in celulele infectate o masa densa de filamente perinucleare.

Formarea veziculelor corespunde stadiului al doilea de dezvoltare a simbiontului. La terminatiile hifelor apar dilatari care iau forma sferica sau de maciuca. Veziculele cu diametrul de 3-5 mm, treptat ocupa toata zona centrala a celulelor corticale. Aparitia lor este corelata cu debutul activitatii nitrogenazei.

Formarea sporangilor si a sporilor. Aceste structuri sunt echivalentii functionali ai sporilor si apar prin diferentierea veziculelor, din care se formeaza sporangii. Sporii se formeaza prin compartimentarea septala a veziculelor. Sporii maturi au forma sferica sau ovalara, cu diametrul de 1,0-5,0 mm. Sporii se gasesc in celulele vegetale care si-au incheiat ciclul de viata si sunt eliberati dupa moartea acestora. In nodozitatile senescente si in sol, sporii reprezinta forme de latenta. O parte din spori isi pastreaza capacitatea de germinare in vitro si in vivo.

Randamentul fixarii N₂ in actinorizele simbiotice este comparabil cu acela al simbiozelor leguminoase. Azotul fixat este transportat in planta si revine in sol prin litiera sau prin intermediul radacinilor care mor. Cele mai multe plante gazda ale actinorizelor sunt specii "pionier", care populeaza terenuri cu deficit foarte mare al azotului combinat (terenuri mlastinoase, dune de nisip, pietris, cenusi vulcanice, balti sarate, soluri de padure tropicala, zone desertice).

Plantele cu actinorize au o raspandire larga in regiunile temperate, arctice, subalpine, ses, subtropicale si tropicale. Natura perena a plantelor creeaza o sursa de azot combinat pe termen lung pentru fertilizarea acestor soluri.

Simbioza Azolla-Anabaena azollae. Cianobacteria A. azollae este raspandita la toate speciile ferigilor aquatice din g. Azolla. Cianobacteria este initial asociata cu meristemul apical al plantei si este capturata ulterior, pe masura ce se dezvolta primordiile frunzelor, in cavitatile formate pe lobii dorsali ai acestora. Asociatia este mutual benefica. Cianobiontul este protejat, fixeaza N₂ atmosferic si il cedeaza gazdei. Planta furnizeaza sursa de carbon, probabil maltoza. Randamentul fixarii N₂ este evaluat la circa 120 kg N/ha/an, iar in conditii foarte favorabile ajunge pana la 670 kg N/ha/an.

Endofitele. Sunt microorganisme care colonizeaza tesuturile interne ale plantelor, fara sa produca efecte negative imediate evidente. Fungii si bacteriile sunt cele mai comune endofite, dar se pare ca exista si alte forme - micoplasme si Archaea, dar nu exista dovezi certe. Cele mai frecvente endofite sunt fungii. La majoritatea plantelor, natura endofitului nu a fost studiata.

Micorizele

Micorizele reprezinta rezultatul asociatiei simbiotice permanente, intre radacinile plantelor si fungi specifici in mediul natural.

Interrelatia implica:

- asocierea relativ constanta a celor doi parteneri

- infectia "normala" a plantelor de catre fungi, in absenta simptomelor patologice

- invadarea exclusiva a cortexului radicular si mentinerea sterilitatii meristemului apical si a cilindrului vascular.

Micorizele sunt foarte larg raspandite in natura, peste 80% dintre taxonii studiati fiind purtatori de micorize, prezenta unor plante neinfectate fiind mai curand exceptii. Micorizele lipsesc la Centrosperme, Plumbaginales, Cruciferae, Farinosae, Cyperales, Caryophylaceae, toate producatoare de substante antifungice. Lipsesc de asemenea la Filicales, la plantele aquatice si la cele care populeaza solurile mlastinoase (Droseraceae, Oenotheraceae, Halorrhagaceae, etc.)

Clasificarea cea mai frecventa se bazeaza pe raportul dintre hifele fungice si celulele corticale ale radacinii. Pe baza acestor criterii, micorizele apartin urmatoarelor categorii:

- ectomicorize (micorize ectotrofe), in care fungii produc infectii hifale intercelulare

- endomicorize (micorize endotrofe), cu localizare intracelulara a hifelor

- ectoendomicorize, incluzand ambele tipuri de infectie

- micorize peritrofe.

Aceste tipuri de micorize sunt determinate de caracterele genetice ale plantelor. Micorizele sunt structuri dinamice. Ele prezinta stadii succesive de dezvoltare, de maturare, de senescenta.

Ectomicorizele

Sunt asociatii simbiotice rezultate din interactiunea miceliilor fungice cu radacinile plantelor, in care fungii raman permanent localizati extracelular. Hifele fungice formeaza o teaca externa ce inconjura radacinile gazdei, denumita manta. Mantaua este formata dintr-un strat de hife intre celulele scoartiei radiculare ce formeaza retieaua Hartig si hife ce se extind la exterior, in sol.

Ectomicorizele sunt foarte larg raspandite. Plantele gazda sunt arborii de padure in soluri brune sau podzolizate si mai rare la arborii izolati in solurile agricole. S-au descris la Pinaceae, Fagales, Juglandales, Myrtaceae, Tiliaceae, etc.

Fungii de ectomicorize apartin claselor: Basidiomycetes evoluate (ciuperci cu palarie), Ascomycetes (trufe) si Phycomycetes: Amanita muscaria, Boletus edulis, Lactarius deliciosus sp., Russula sp., Tuber sp., etc.

Fungii din ectomicorize sunt dependenti de glucidele simple si de alti nutrienti eliminati la suprafata radacinilor (acizi organici, aminoacizi, vitamine, factori stimulatori de crestere). Din aceasta cauza, in stare libera, fungii din micorize sunt necompetitivi cu fungii din sol. Se pare ca odata cu diminuarea severa a glucidelor din sol, fungii pot manifesta tendinta de a patrunde in celulele radiculare, evoluand spre producerea de micorize ectoendotrofe.

Fungii din ectomicorize nu degradeaza lignina si sunt slab celulozolitici.

Specificitatea interactiunii celor doi parteneri este foarte diferita: unii au o mare specificitate de gazda, iar altii au un spectru larg, putand infecta arbori ce apartin unor genuri diferite.

Uneori aceiasi planta este infectata de mai multe specii de fungi.

Hifele fungice infectante provenite din sporii germinati cresc rapid in rizosfera, stimulate fiind de exudatul radicular si formeaza un manson radicular. Inhibitorii din exudat ii impiedica sa initieze o stare patologica.

Fungii patrund la nivelul radacinilor tinere, sensibile la atac, prin zona de infectie a micorizelor. Fungii de micorize nu invadeaza meristemul, datorita "imunitatii" lui si pentru ca este constant reinoit, avand o pozitie temporara prin deplasarea sa permanenta in substrat.

Pe masura ce celulele radacinii infectate se divid si se alungesc, auxina secretata de fungi modifica dezvoltarea radacinii. Perii radiculari nu se mai dezvolta, iar cei infectati, ramasi mai scurti se ramifica.

Teaca sau mansonul fungic formeaza un tesut fungic gros, pseudoparenchimatos, care acopera radicelele plantei gazda. Teaca este un sistem complicat, ramificat, intretesut, dezvoltat din hifele care patrund intre celulele epidermei si chiar intre celulele cortexului radicular. Teaca asigura o mare suprafata de contact intre cei doi simbionti, fara ca hifele sa patrunda in celulele vii. Ele secreta enzime pectinolitice, cu ajutorul carora pot patrunde intre celulele cortexului.

Teaca fungica se conecteaza cu solul printr-o retea luxurianta de hife ramificate sau lanturi hifale, denumite rizomorfe. In conditii favorabile, rizomorfele se diferentiaza formand corpuri sporifere (corpi de fructificare), a caror nutritie este asigurata de planta gazda. Aparitia corpilor sporiferi este impiedicata daca se intrerupe legatura dintre rizoforme si radacinile arborilor gazda. Aceasta demonstreaza ca majoritatea ciupercilor comestibile prezente in apropierea copacilor sunt corpuri sporifere ale fungilor de ectomicorize si nu saprobionte pe materia organica in descompunere. Patrunderea hifelor in radacinile arborilor este o preconditie a formarii acestor sporofori in conditii naturale, ceea ce explica apropierea anumitor fungi de speciile specifice de arbori.

Trasatura distinctiva a micorizelor este retieaua Hartig, o retea de hife ce patrund printre celulele corticale, fara sa produca infectii intracelulare.

Endomicorizele. Micorizele veziculo-arbusculare

Endomicorizele sunt tipul cel mai comun de micorize, intalnit la cele mai multe plante cultivate. Sunt prezente la majoritatea angiospermelor: toate speciile lemnoase ce nu fac ectomicorize si mii de plante ierboase.

Endomicorizele veziculo-arbusculare se gasesc la mai multe genuri de gimnosperme care includ: Cupressus, Thuja, Taxodium, Sequoia, Juniperus, etc. Cele mai studiate sunt micorizele plantelor cu importanta economica (grau, porumb, soia, mazare, tomate, capsuni, mar, piersic, graminee furajere, trestie de zahar, arborii de cafea, ceai, cauciuc, etc.).

Fungii care produc endomicorize sunt larg raspanditi in sol, mai ales in regiunea periradiculara si in rizosfera. Majoritatea cresc in culturi pure. Marea asemanare anatomica a micorizelor veziculo-arbusculare duce la presupunerea ca majoritatea, daca nu toate, sunt produse de o specie unica de fungi (Mosse, 1973). Apoi s-au descris mai multe specii Endogone si alte cateva genuri: Glomus, Sclerocystis, Gigaspora, Acaulospora. Cei mai multi fungi de endomicoriza au un spectru larg de gazda.

Formarea micorizelor veziculo-arbusculare. Denumirea acestor micorize endotrofe deriva din faptul ca formeaza structuri sferice denumite vezicule si structuri ramificate cu functia de organ absorbtiv de tipul haustorilor, denumite arbusculi. In evolutiia infectiei simbiotice s-au descris trei faze succesive:

- dezvoltarea extensiva in sol a miceliului extraradicular, cel putin cativa centimetri la suprafata radacinii

- aparitia unui sistem hifal intercelular in cortex

- infectia intracelulara si formarea hifelor incolacite, veziculelor si arbusculilor in celulele vegetale.

Initial, fungii cresc sub forma de hife individuale sau de retele laxe pe suprafata radacinilor pe care le colonizeaza, fie formand apresori, fie ramificandu-se pentru a forma o structura de preinfectie de la care se formeaza apresori ce stimuleaza infectia. Infectia este favorizata de producerea de catre fungi, a unor enzime celulozolitice, ce dizolva mici portiuni din peretele celulelor vegetale.

Arbusculii sunt sisteme complexe structural si functional, similare haustorilor, formate prin ramificarea dihotomica repetata a hifelor in celulele corticale. Arbusculii sunt progresiv incapsulati intr-un sistem de pereti derivati din celula gazda, pentru a forma structurile numite initial sporangiole.

Celulele infectate cu arbusculi au un volum marit de pana la 4 -5 ori. Arbusculii au o durata de viata limitata (4 -10 zile) dupa care se lizeaza.

Veziculele sunt structuri saciforme ce apar la extremitatile sau la mijlocul hifelor. In stadiile tinere au un perete subtire si citoplasma omogena. Ulterior peretele devine gros, citoplasma vacuolata cu incluzii lipidice.

Fungii de micorize endotrofe ataca planta gazda ca un parazit, deoarece hifele intracelulare se comporta ca haustorii fungilor patogeni. Fungii raman localizati in straturile externe ale cortexului radicular. Cand incearca sa patrunda in structurile interne ale radacinii, ei sunt distrusi de factorii protectori ai gazdei, care determina dezintegrarea hifelor sau a arbusculilor. Prin liza hifelor endofitului, planta obtine compusi organici fungici.

In mod normal, stelul si meristemul apical sunt lipsite de infectia fungica. Endodermul plantei reprezinta, pentru fungi, o bariera insurmontabila. Daca o depasesc, ei devin paraziti.

Micorizele ectoendotrofe. Sunt prezente numai la speciile de arbori (brad, pin, molid) care in mod obisnuit formeaza ectomicorize. Micorizele ectoendotrofe au particularitatile anatomice ale ambelor tipuri majore de micorize. Mantaua fungica nu este foarte bine dezvoltata, dar prezinta concomitent reteaua Hartig in cortex si hife patrunse intracelular. Fungii sunt probabil fungi imperfecti. Reteaua Hartig patrunde printre peretii celulelor epidermice in interiorul celulei gazda, prin intermediul unor haustori.

Rolul micorizelor in biologia plantelor

Micorizele confera plantelor numeroase avantaje, in special legate de nutritie si dezvoltare. Micorizele functioneaza ca adevarate organe absorbtive radiculare, asociate cu fungii. Reteaua Hartig creeaza o suprafata mare de contact cu celulele vegetale si de aceea absorbtia nutrientilor este mult mai intensa decat cea realizata prin perii radiculari.

Radacinile infectate cu fungi de micorize sunt de 2-3 ori mai lungi decat cele neinfectate, sunt mai grele si mai ramificate. Formarea perilor radiculari este supresata, iar functia lor este preluata de hifele fungice.

Fungii de micorize au un rol foarte activ in preluarea nutrientilor: P, N, Ca, Na. Fungii secreta metaboliti care maresc solubilitatea ionilor minerali legati in sol, astfel incat ionii anorganici sunt preluati si translocati direct in radacini, realizand un circuit inchis al nutrientilor (Atlas si Bartha, 1987).

Mantaua fungica a ectomicorizelor acumuleaza Mg, Fe, Zn, Ca, K si Si si are rolul unui principal organ de acumulare, inainte de transferul lor in radacina.

Speciile de arbori beneficiaza mai mult de prezenta micorizelor, comparativ cu cerealele si gramineele furajere, pentru ca au putine radacini si peri absorbanti.

Hifele fungice larg raspandite in sol, traverseaza zonele deficitare in nutrienti sau cu nutrienti inaccesibili din apropierea radacinilor pentru a se ramifica si exploata zone noi situate la distanta, inaccesibile radacinilor ca atare.

Ramificarea si cresterea continua a hifelor si conexiunile lor cu solul permit exploatarea extensiva la distanta a acestuia.

Fungii produc substante de tip auxinic, care mentiin echilibrul simbiotic cu celulele radiculare: de exemplu, acidul b-indol-acetic, utilizand triptofanul, sau o serie de citochine care impiedica maturarea si suberizarea radacinilor infectate, prelungind perioada fiziologica activa.

Fungii produc auxine care maresc concentratia glucidelor in radacinile plantelor, stimuland circulatia mai intensa si mai rapida a fotosintatului, decat in radacinile lipsite de micorize.

Fungii au rol protector, formand o bariera fizica ce impiedica accesul patogenilor. Mantaua fungica acopera partile cele mai fragile ale radicelelor, impiedicand orice contact direct al radacinilor tinere cu solul. In absenta mantalei fungice, datorita peretelui celular foarte fin, radacinile tinere sunt invadate si colonizate chiar de patogeni putin virulenti, iar planta se apara prin sinteza substantelor antifungice (taninul). Dar impregnarea celulelor vegetale cu tanin afecteaza functia absorbtiva a radacinii si determina cresterea deficitara a plantei.

Fungii de micorize produc acizi organici volatili cu efect fungistatic, mentinand un echilibru intre fungii simbiotici si cei patogeni din sol.

Micorizele pot compensa intr-o masura importanta distrugerile sistemului radicular.

Arborii individuali, apartinand unor specii diferite pot fi legati intre ei prin una sau mai multe specii fungice. Intr-o comunitate vegetala naturala, cele mai multe plante sunt infectate de fungi de micorize. In consecinta, este posibil ca toate plantele cu micorize veziculo-arbusculare sa fie legate intre ele de micelii ale unor specii de Endogonaceae. Asemanator, plantele cu ectomicorize pot fi legate de grupul de fungi. In acest cadru, compusii cu carbon eliberati de arborii dominanti pot compensa necesitatile de nutrienti ale plantelor care cresc la umbra lor. In felul acesta, competitia dintre specii depinde de relatia lor cu fungii.

Hifele favorizeaza formarea agregatelor de sol, avand rol important in dezvoltarea structurii solului.

Coniferele lipsite de micorize raman mici sau nu se dezvolta de loc. Incetarea cresterii poate fi prevenita numai prin adaugarea fungilor de micorize, adica a solului de padure.

Semnificatia biologica a micorizelor este controversata. Pentru multi cercetatori, micorizele sunt simbioze mutualiste echilibrate, avantajoase pentru ambii parteneri. In unele cazuri, asocierea are un caracter obligatoriu, iar alteori, plantele supravietuiesc si in absenta partenerului simbiotic. In faza in care celulele fiziologic active ale celor doi parteneri sunt in contact intim, si numai atunci, are loc un schimb bidirectional de substante (Smith, 1980). Dupa sfarsitul acestei faze, fie fungii, fie celulele gazdei, fie ambele, degenereaza.

Simbioza cianobacterii-fungi sau alge-fungi (Lichenii)

Lichenii sunt produsul asocierii simbiotice a doua microorganisme neinrudite: un producator primar (o cianobacterie sau o alga - adica un ficobiont) si un consumator - un tip de fungi (micobiont). Forma complet integrata da nastere unei noi entitati biologice, fara nici o asemanare cu componentii sai individuali.

Asocierea are drept consecintia o serie de modificari structurale, biochimice si fiziologice, care faciliteaza interactiunea si care sunt esentiale pentru diferentierea morfologica si pentru asigurarea stabilitatii asociatiei.

Cei doi sau trei parteneri ai asociatiei formeaza un corp vegetativ - talul - avand o structura macro- si microscopica cu caracteristici proprii " speciei".

Cea mai mare parte a talului este alcatuita din hifele fungice, care formeaza un strat de tesut specializat, rezultat din impletirea stransa a hifelor - cortexul superior, sub care se gasesc o regiune medulara si adesea un cortex inferior, hipotal si rizine.

Regiunea medulara consta dintr-o impletitura laxa a hifelor, in ochiurile careia se gaseste stratul algal. Aici se stabileste contactul fizic dintre partenerii simbiozei.

Lichenii crustosi nu au niciodata cortex inferior, fiind atasati de substrat.

Lichenii se inmultiesc pe cale vegetativa prin fragmente de tal, soredii (structuri alcatuite din celule algale inconjurate de hife fungice) sau izidii (alcatuite din celule algale si tesut medular acoperit de cortex).

Alga se multiplica in stratul algal prin diviziune mitotica si prin aplanospori, eliberati prin ruperea peretelui celulei mama.

Fungii din licheni se inmultesc prin ascospori asexuati, dupa ce sunt eliberati din tal. Ei apartin clasei Ascomycetes si mai putin clasei Basidiomycetes. Izolati, cresc greu in culturi de laborator, cu o incubatie uneori de cateva luni.

O serie de alge poate forma licheni cu orice alta specie fungica compatibila si invers. Exista totusi un anumit grad de selectivitate intre micobiont si ficobiont, in sensul unei interactiuni preferentiale, bazata tot pe fenomene de recunoastere.

Ficobiontul reprezinta sursa principala de carbon organic. Excedentul este cedat fungilor. Fotosinteza algala are o rata scazuta. Algele contiin de 4 -10 ori mai putina clorofila per unitate de greutate fata de algele verzi libere.

Lichenii au doua surse de azot: organic sau anorganic absorbit din mediu si cel fixat de cianobacterii. Lichenii cu cianobacterii fixatoare de azot sunt mai bogati in azot.

Fungii au o mare capacitate de absorbtie a apei, fie rapid (cand este in stare lichida), fie lent (apa sub forma de vapori).

Lichenii au rate de crestere foarte scazute. In regiunile temperate, cresterea radiala este de 1-2 mm/an, iar la speciile rapid crescatoare, de 2-4,5 mm/an. In regiunile antarctice nu apare nici un indiciu al cresterii timp de 30 de ani.

Pe medii agarizate, cu substante organice, cei doi parteneri cresc independent unul de celalalt. In conditiile unor concentratii minime de nutrienti sau in absenta lor (pe medii cu agar fara adaus de nutrienti) se observa un proces de lichenizare, evidentiat prin incercuirea algelor de catre hifele fungice, formarea haustorilor fungici sau aparitia unui tesut pseudoparenchimatos, prin dispunerea hifelor in jurul unui grup de alge.

Concluzia acestor experimente preliminarii este ca asocierea simbiontilor din licheni nu are loc niciodata in conditii care permit cresterea independenta a unuia sau ambilor parteneri.

Asocierea simbiontilor ar depinde de cresterea echilibrata a algelor si fungilor in conditiile unui substrat sarac in nutrienti, alternanta uscaciune/umiditae, absenta poluantilor. Cresterea dezechilibrata a unuia dintre simbionti duce la separarea lor.

Lichenii au capacitatea de a sintetiza o serie de metaboliti secundari specifici, denumiti "substantele lichenilor". Sunt peste 220 de compusi organici extracelulari, ce acopera suprafata peretelui celular al hifelor, heterogeni din punct de vedere chimic, insolubili in apa, dar solubili in solventi organici. Sinteza lor are loc in treptele metabolismului glucidic.

Lichenii reprezinta simbioza cu cel mai inalt grad de integrare din natura. Integrarea creeaza structuri noi si se sintetizeaza metaboliti care nu sunt produsi niciodata de componentii individuali.

Botnariuc (1979) adera la ideea ca lichenii pot fi considerati ca un exemplu de speciatie prin mutualism. Specialistii din domeniul ecologiei microorganismelor considera ca lichenii au atins ultima treapta in evolutia sistemelor simbiotice - aceea de unitate functionala, de organism unic, cu cel mai inalt grad de integrare, datorita persistentei separate a celor doua organisme, care pot fi disociate, cultivate separat si reasociate natural sau artificial (experimental). Se considera ca lichenii se comporta mai degraba ca un simbiont ecologic decat ca un simbiont fiziologic (Brock,1966).

In realitate, lichenii ca grup, prezinta stadii de evolutie de la parazitism spre mutualism. In lichenii primitivi, fungii patrund efectiv in celulele algale si sunt, in esenta, paraziti pe acestea. La speciile diferentiate, hifele fungice nu rup peretele celulei algale si traiesc in armonie cu acestea, fie in contact strans, fara sa patrunda in interiorul lor. Lichenii pot fi considerati ca un caz de parazitism controlat, in care algele au dezvoltat un anumit grad de rezistenta la fungi (Ahmadjian, 1982).

Parazitismul

Parazitismul corespunde relatiei in care un organism se hraneste cu celulele, tesuturile sau cu lichidele altui organism, care poate suferi prejudicii mai mult sau mai putin severe.

Relatia parazit-gazda este diferita si variaza de la ectoparazitism la parazitism intracelular obligat.

In unele cazuri, interactiunea are grad inalt de specificitate. Alteori, parazitii au spectru larg de gazde.

Parazitismul intracelular. Moulder (1979) considera ca sistemul parazit intracelular-celula gazda prezinta particularitati proprii mediilor extreme.

Parazitul intra in competitie cu gazda pentru intermediari de biosinteza, pe care ii dobandeste uneori cu mare dificultate. Cel mai adesea, relatiile parazit-celula evolueaza spre o stare de echilibru datorita tendintei de multiplicare a parazitului, in asa fel incat sa nu depaseasca limitele tolerate de gazda. In general, relatiile dintre parazit si celula gazda evolueaza spre o stare de toleranta, caracterizata printr-o infectie prelungita, cu leziuni minime.

Tipuri de parazitism intracelular. Parazitismul facultativ intracelular este tipic pentru microorganismele cu exigente nutritive relativ moderate, care le confera posibilitatea sa se dezvolte pe medii inerte. De exemplu, M. tuberculosis se dezvolta pe medii organice complexe, dar si pe medii sintetice suplimentate cu aminoacizi, biotina, NH₄⁺, glicerol.

Parazitismul obligat intracelular este caracteristic microorganismelor care au pierdut capacitatea de a exista extracelular.

Patrunderea microorganismelor parazite in celulele gazda are cel mai adesea un grad mare de specificitate. Inglobarea parazitului este precedata de legarea prealabila de celula gazda prin fenomene de recunoastere bilaterala, pe baza interactiunii unor structuri complementare. S-au descris doua mecanisme principale de patrundere a parazitilor in celula gazda:

- endocitoza - corespunde situatiei in care parazitul distruge continuitatea structurala a invelisurilor celulei gazda si intra inconjurat de o membrana derivata din cea a gazdei. Mecanismul este tipic pentru interactiunea dintre Plasmodium si hematiile vertebratelor.

- diacitoza (dia, grec = prin, de partea cealalta) corespunde situatiei in care parazitul perforeaza invelisurile externe ale celulelor gazda, producand o discontinuitate prin care intra fara a fi inclus intr-o membrana. Mecanismul este tipic pentru Bdellovibrio, care intra prin peretele perforat al bacteriei gazda, propulsat fiind de miscarile flagelului. Ulterior, peretele celular este reparat prin formarea unei cicatrice, iar membrana citoplasmatica a bacteriei gazda se indeparteaza de peretele celular. Astfel, Bdellovibrio nu este un parazit intracelular tipic, deoarece ramane in compartimentul intramural si nu in citoplasma.

Pentru supravietuirea in celulele gazda, parazitii au elaborat mai multe strategii:

- infectarea unei celule gazda lipsita de lizosomi, ca de exemplu, eritrocitul matur, parazitat de Bartonella sau de protozoarul Plasmodium si de hemosporidii;

- evadarea din fagosom curand dupa patrunderea in celula, descrisa initial la Rickettsia mooseri;

- impiedicarea fuziunii fagolizosomale este un mecanism mai comun intalnit la M. tuberculosis, Chlamydia, Legionella pneumophila, T. gondii;

- rezistenta la actiunea enzimelor lizosomale, intalnita la C. burnetii.

Parazitismul intracelular este rezultatul unei adaptari subtile si complexe la mediul celulei gazda, asociata cu pierderea capacitatii de a trai extracelular.

La baza acestui proces ar sta o serie de procese de adaptare negativa, adica pierderea unor caractere neesentiale pentru viata intracelulara. Adaptarea la viata parazitara este, se pare, asociata cu reducerea genomului, prin pierderea genelor neesentiale. Unii paraziti intracelulari au genomuri mici (N. gonorrhoeae are circa 1000 de gene, Chlamydia - circa 500 de gene) spre deosebire de bacteriile libere (B. subtilis - 5 - 6 000 de gene, sau E. coli - 3 - 4000 de gene).

Pradarea

Este o interrelatie in care un organism mai viguros - pradatorul - ataca un alt organism, provocandu-i moartea, rapida in cazul prazii unicelulare sau distrugerea partiala ori totala in cazul celei multicelulare, urmata de utilizarea constituientilor lor ca material nutritiv.

Brock (1976) pledeaza pentru un sens restrictiv, limitand pradarea la microorganismele fagotrofe, lipsite de un perete celular rigid, capabile sa inglobeze si sa digere microorganismele cu dimensiuni mai mici. Relatia este tipica pentru microorganismele bacteriovore, in timp ce microorganismele cu perete rigid sunt excluse de la acest tip de relatie.

Cei mai multi autori pledeaza pentru un cadru mai larg, considerand ca pradatorii pot fi intalniti si printre eubacterii, mixobacterii, fungi, dinoflagelate, alge marine si de apa dulce.

Un sistem bine cunoscut este cel reprezentat de Didinium (pradator) - Paramecium (prada), care la randul sau este pradator pentru bacterii.

Procariote pradatoare. La procariote, pradarea se poate realiza pe doua cai majore.

Pradarea extracelulara se realizeaza prin activitati enzimatice exercitate din afara celulei-prada. Dintre numeroasele enzime extracelulare produse de bacterii, putine pot ataca, dizolva si digera celulele bacteriene vii.

Pradarea extracelulara este de doua tipuri, corespunzand pradatorilor periplasmatici (Bdellovibrio) si celor citoplasmatici (Daptobacter).

Bacteriile din g. Bdellovibrio (bdellos = lipitoare, parazit, exploatator) sunt parazite endocelulare, pradatoare si bacteriolitice. Celula de Bdellovibrio ataca atat bacteriile sensibile cat si insensibile, dar se leaga stabil numai de primele. Atacul este realizat prin coliziuni violente, urmate de legarea de suprafata celulei gazda, prin extremitatea neflagelata. Parazitul patrunde in celula gazda printr-un mecanism necunoscut, cel mai probabil prin perforarea favorizata de prezenta unor spicule la polul de legare. Parazitul patrunde in spatiul dintre perete si membrana citoplasmatica. Apoi, peretele celular este reparat si inchis.

Multiplicarea parazitului are loc intr-un spatiu inchis extracitoplasmatic, respectiv intramural sau periplasmatic. Celula invadata se modifica morfologic si devine un corp globulos sau bdelloplast, dar si fiziologic (blocarea sintezei ADN, ARN si a proteinelor, modificarea activitatii respiratorii, modificari nucleare etc.). Celulele de Bdellovibrio cresc filamentos spiralate, devenind de cateva ori mai lungi decat celula infectata. Multiplicarea parazitului se realizeaza prin fragmentarea filamentului in celule mobile, identice cu cele infectante, care pot umple celula gazda.

Eliberarea celulelor progene in mediu se face brusc, odata cu distrugerea invelisurilor celulei gazda. Singura sursa de nutrienti a parazitului este sferoplastul celulei parazitate.

Bacteriile din g. Daptobacter (dapto = a roade, a devora, a distruge) se fixeaza perpendicular pe celulele prada de Chromatium vinosum, C. minutissimum, Lamprocystis si Thiocapsa roseoperscina distruge peretele celular si membrana citoplasmatica si patrunde in celula. Pe mediile de cultura, in curs de cateva zile, rezultatul lizei consta in aparitia unor plaje de liza cu diametrul de 0,5 cm colorate rosu-pal.

Semnificatie biologica. Unele bacterii pradataoare evidentiaza relatii nutritionale putin cunoscute la procariote. Astfel, Vampirovibrio chlorellavorus, Vampirococcus si Daptobacter care prada alga Chlorella si respectiv bacteriile fotoorganotrofe sunt consumatori primari, echivalenti organismelor fitofage, deoarece se hranesc cu organisme fotoautotrofe.

Se considera ca relatia de pradatorism a aparut initial la procariote, in ecosistemul anoxic in era paleozoica (Guerrero, 1986, Margulis, 1986), cand microorganismele erau singurele organisme de pe Pamant. Se poate presupune ca in perioada in care bacteriile fototrofe erau singurii producatori primari si bacteriile heterotrofe singurii consumatori, intre procariote au existat relatii ecologice analoge cu cele existente intre organismele eucariote in prezent.

Patrunderea unor bacterii pradatoare (Bdellovibrio) in spatiul periplasmatic sau in citoplasma (Daptobacter) reprezinta argumente in favoarea teoriei endosimbiotice privind originea bacteriana a organitelor celulei eucariote.

MICROBIOTA NORMALA A MAMIFERELOR

Desi organismele animale sunt sterile in cursul vietii intrauterine, imediat dupa nastere sunt colonizate progresiv de un numar mare de microorganisme, care se localizeaza pe suprafata corpului si a diferitelor mucoase, in special pe traiectul digestiv. Numarul microorganismelor la omul adult este apreciat la 10¹⁴ celule, cu un grad de marime peste numarul total al celulelor organismului uman (10¹³) (Dobzhansky, 1974), cea mai mare parte fiind localizate in sistemul digestiv.

Microorganismele asociate organismului animal si uman apartin la doua categorii majore:

1) Microbiota normala sau asociata este reprezentata de microorganisme indigene sau autohtone. Asocierea lor cu microorganismele a fost stabilita in cursul evolutiei comune si sunt reprezentate de bacterii, microfungi si protozoare. Desi de la copiii sanatosi au fost izolate si cultivate mai multe virusuri, Reed si colab. (1974) considera ca in mod normal nu exista virusuri asociate.

2) Microorganismele straine sau alohtone provin din mediul extern (aer, sol sau de la alte animale). Unele pot fi patogene. Frecvent sunt numai in tranzit, fara sa contribuie semnificativ la activitatea microbiotei normale, la ale carei conditii nu se pot adapta.

O situatie particulara o prezinta microbiota gastrointestinala. Un microorganism poate fi autohton pentru un anumit segment si alohton pentru altul pe care il tranziteaza dupa ce s-a desprins de habitatul sau natural.

Colonizarea si succesiunea asociatiilor de microorganisme la organismul uman

Colonizarea microbiana a tuturor suprafetelor externe si a unora interne ale organismului incepe la nastere. Procesul este, de regula, benefic atat pentru microorganisme cat si pentru gazda, in sensul ca fiecare furnizeaza ceva esential celuilalt si primeste in schimb ceva esential.

Fatul este steril in utero, dar se infecteaza in cursul trecerii prin vagin si organele genitale externe materne si de la orice sursa din mediu, la care este expus.

In cursul procesului de colonizare, multe microorganisme contaminante mor si dispar, deoarece nu se pot adapta. Totdeauna exista unele specii-pionier care se stabilizeaza, adera la diferite substraturi sau se divid cu o rata superioara decat cea a eliminarii. La sugarul hranit la san, primele bacterii care apar in sistemul digestiv apartin g. Lactobacillus, urmat dupa 1-2 zile de Bifidobacterium, care devine predominant numeric. Ulterior se instaleaza alte specii facultativ anaerobe (E. coli, S. faecalis).

Modificarea majora a microbiotei, la toate animalele studiate, este asociata cu tranzitia la alimente solide, cand apar bacterii strict anaerobe (Bacteroides), in special in intestinul gros, iar proportia celor facultativ anaerobe scade progresiv.

Mecanismele colonizarii sunt cunoscute. Colonizarea trebuie sa invinga sistemele de eliminare mucociliare (care indeparteaza bacteriile nelegate de epitelii), fluxul unidirectional al lichidelor pe suprafata epiteliilor si activitatea peristaltica a tubului digestiv, turnover-ul celulelor epiteliale senescente, sistemele imunitare locale, variatiile pH si ale potentialului redox, agentii antimicrobieni nespecifici ai gazdei, competitia cu alte microorganisme etc.

S-a semnalat existenta unei anumite asemanari antigenice intre suprafata celulei microbiene si mucusul sau mucoasa intestinala, in care ocupa un habitat.

Aderenta are un caracter de specificitate, in sensul ca epiteliile situate in diferite localizari anatomice leaga specii bacteriene diferite.

Aderenta bacteriana este, de regula, functia adezinelor bacteriene, care se leaga de receptorii complementari de pe suprafata celulelor epiteliale ale gazdei, care se leaga de receptorii glicoproteici sau glicolipidici de pe suprafata epiteliilor.

Aderenta trebuie sa invinga mecanismele de aparare ale gazdei:

- producerea de Ig A din secretii (sIgA)

- sinteza lizozimului

- sinteza de analogi ai receptorilor specifici, care se combina cu suprafetele de legare bacteriana, neutralizandu-le capacitatea de aderenta

- efectul antibacterian al bilei neconjugate, care explica numarul mic al bacteriilor din intestinul subtire

- producerea de catre gazda, a unor proteine care leaga Fe, creand un deficit de Fe pentru bacterii

- existenta unor situsuri anatomice favorabile pentru unele microorganisme (pH, potential redox).

Microbiota normala a tegumentului

Pielea nu ofera conditii favorabile dezvoltarii microorganismelor, deoarece este expusa unor variatii extreme de temperatura, umiditate, dezinfectanti chimici (sapun, sampon). De aceea, populatia microorganismelor este mai mica si mai simpla comparativ cu alte situsuri corporale. Totusi, numeroase bacterii isi stabilesc rezidenta permanenta pe suprafata pielii. In plus, se produce si o colonizare tranzitorie cu o diversitate de microrganisme din mediul extern si cu microorganisme endogene.

Suprafata pielii este foarte heterogena. Sunt arii uscate si fara par (palme, talpi), arii cu o mare densitate a glandelor sudoripare (regiuni axilare, inguinale, perianala), arii bogate in glande sebacee (fruntea, pliurile nazolabiale).

Microorganismele prolifereaza in mediul umed: zonele cu glande sudoripare si suprafetele ocluzate. Pielea fetei, aria perirectala sau perigenitala au o microbiota mai complexa.

Pe suprafata pielii, bacteriile anaerobe sunt de 10 -100 de ori mai numeroase decat cele aerobe. In raport cu levurile, predomina net bacteriile si in special cele Gram pozitive: Staphylococcus, Micrococcus, Corynebacterium, Peptostreptococcus, Propionibacterium.

Bacteriile Gram negative colonizeaza tranzitoriu suprafata pielii, deoarece peretele celular subtire nu protejeaza celula de actiunea detergentilor. Acinetobacter se gaseste in zonele umede: regiunea inguinala, axilara, pe tegumentul interdigital.

Microbiota normala a tractului respirator

La nivelul cailor respiratorii superioare (cavitatile nazale si nazofaringe), numarul microorganismelor este mic, fiind reprezentate de S. aureus si specii coagulaza-negative (Corynebacterium, Peptostreptococcus si Fusobacterium). Tranzitoriu, in nari, prezenta altor microorganisme este comuna.

In nazofaringe, populatia de microorganisme este mai complexa: predomina speciile de Streptococcus si Neisseria (streptococii a-hemolitici si 12 specii de Neisseria). Colonizarea cu N. meningitidis atinge valori mari (pana la 95%) la adultii tineri din aglomerarile umane.

In caile respiratorii medii (orofaringe si tonsile) predomina cocii Gram pozitivi si Gram negativi. Cei anaerobi depasesc pe cei aerobi in proportie de 100/1.

Caile respiratorii inferioare (laringe, trahee, bronhii si plamani) sunt sterile.

Microbiota tractului digestiv

In saliva si pe suprafata limbii se gasesc streptococi din grupul viridans (Str. salivarius). Suprafata dintilor este colonizata cu S. sanguinis, S. mutans, iar mucoasa orala, cu S. vestibularis si S. sanguis. Alti streptococi din orofaringe sunt cei b-hemolitici. S. pyogenes produce faringita streptococica, dar poate coloniza tranzitoriu persoanele sanatoase.

Alti coci Gram pozitivi din orofaringe: Stomatococcus mucilaginosus, Gemella sp. si Peptostreptococcus. Dintre cocii Gram negativi anaerobi cei mai frecventi sunt speciile de Veillonella.

Bacilii Gram pozitivi din microbiota orofaringelui sunt speciile de Actinomyces, Actinobacillus, Corynebacterium, Lactobacillus, Propionibacterium., iar cei Gram negativi anaerobi sunt reprezentati de Fusobacterium, Bacteroides, Porphyromonas, Prevotella, Selenomonas, Haemophilus influenzae, H. parainfluenzae. Actinobacillus actinomycetemcomitans este cauza periodontitei juvenile.

Dintre fungi, Candida albicans se gaseste aproape la toti indivizii.

Protozoarele din orofaringe sunt reprezentate de Entamoeba gingivalis si Trichomonas tenax, dar nu produc manifestari clinice.

Habitatele microbiotei gastrointestinale Ecosistemul gastrointestinal este complex, deschis, integrat si format din cele mai multe habitate pentru microorganisme. Fiecare habitat este colonizat de mai multe specii de microorganisme autohtone. Acestea pot avea trei localizari:

1) Lumenul are calitatea de habitat in masura in care microorganismele pot coloniza materialele prezente in el. Habitatul adevarat este reprezentat de suprafata particulelor de materiale solide, cum ar fi cele ale constituientilor alimentari.

2) Suprafata epiteliala a diferitelor regiuni ale tubului digestiv.

3) Criptele mucoaselor, prezente mai ales in intestinul subtire superior, cecum si colonul anumitor animale.

Microbiota gastrica. Stomacul este un compartiment ostil dezvoltarii microorganismelor si de aceea este considerat steril, dar poate contine microorganisme ingerate odata cu alimentele sau cu apa. Acest fenomen este foarte accentuat la animalele coprofage (rozatoare, porc, etc) care ingera cantitati imense de microorganisme alohtone provenite din fecale.

Odata ajunse in stomac, marea majoritate a microorganismelor sunt distruse de aciditatea secretiei gastrice. Microbiota este saraca, asociata cu suprafata epiteliului, fiind protejata de secretia de mucus si de bicarbonat. Bacteriile prezente sunt acidotolerante: Lactobacillus sp. Streptococcus sp., H. pylori. Ultimul pare a fi implicat in producerea gastritei, a ulcerului gastric si duodenal si este asociat cu malignitatea gastrica.

Microbiota intestinului subtire. Acest segment ofera trei regiuni majore, cu conditii de mediu distincte: duoden, jejun si ileon. In conditii normale, microbiota este limitata (10⁵ celule/ml) si predomina anaerobii: Lactobacillus, Streptococcus, Candida albicans, Bifidobacterium, Bacterroides, Clostridium, unele derivate in mod cert din cavitatea bucofaringiana.

In ileon pot fi gasite bacterii provenite din colon. Daca se produce obstructia tractului intestinal are loc staza, iar microbiota se aseamana cu cea din colon (Bifidobacterium, Bacteroides, Clostridium, E. coli, Enterococcus) si duce la malabsorbtie.

Factorii limitanti ai multiplicarii bacteriilor in intestinul subtire sunt: aciditatea gastrica, peristaltismul intestinal care asigura tranzitul relativ rapid spre intestinul gros si existenta unor substante care inhiba cresterea microorganismelor.

Microbiota intestinului gros. La om si la cele mai multe mamifere, microbiota acestui segment este alcatuita din cateva sute de specii bacteriene intolerante la O₂, dintre care putine au fost cultivate in vitro si identificate. Microorganismele alohtone devin semnificative daca densitatea lor depaseste 10⁶ celule/g de continut intestinal. Ele provin din alimente sau din etajele superioare ale tractului digestiv.

La om, numarul bacteriilor strict anaerobe este de peste 10¹¹ celule/g, in care predomina Bifidobacterium sp., grupul Bacteroides fragilis, Enterococcus, in timp ce coliformii reprezinta numai 0.1-1%. In colonul normal nu se gasesc protozoare. Multe bacterii sunt legate de celulele epiteliale ale mucoasei sau chiar inclavate intre acestea.

Microbiota colonului poate determina complicatii severe, cand integritatea barierei intestinale este compromisa (apendicite etc.). Bacteriile coliforme, originare in colon produc infectii genito-urinare. NH₃ produs de bacterii prin dezaminarea aminoacizilor nedigerati este toxic. Efectul se manifesta atat asupra mucoasei colonului, generand leziuni ale acesteia, cat si asupra ficatului. Microbiota ar putea fi implicata, direct sau indirect in geneza neoplaziei de colon. Incidenta bolilor colonului, in general este mult redusa la populatiile care consuma multe fibre vegetale, comparativ cu cele care au un regim bogat in grasimi si proteine.

In functie de structura sistemului digestiv au fost descrise trei tipuri de habitate, care ofera microorganismelor conditii diferite de mediu.

1) Tipul "tub drept" - caracteristic mamiferelor carnivore, omnivore si insectivore - corespunde unei hrane reprezentata de proteine, glucide si lipide, digerabile atat sub actiunea enzimelor digestive, cat si de catre microorganisme. Caracteristica esentiala este existenta stomacului foarte acid, care limiteaza multiplicarea microorganismelor ce se dezvolta progresiv, pe masura ce secretiile alcaline restabilesc un pH favorabil.

2) Tipul "multicameral" al rumegatoarelor, caracterizat prin prezenta unei camere de fermentatie, deviata de la linia de tranzit a alimentelor, precedand stomacul propriu-zis - rumenul caracteristic pentru Bovidae si Ovinae sau situata "in linie", sub forma unei regiuni partial separata de restul tubului digestiv (la marsupiale, maimute, ierbivore).

Caracteristica fundamentala o constituie dezvoltarea unei microbiote imense, strict anaerobe, care fermenteaza hrana cu producere de acizi grasi volatili absorbiti si oxidati de gazda, biomasa microbiana si gaze (CO₂, CH₄ sau H₂). Interactiunea majora intre microorganisme si gazda este de cooperare.

3) Tipul "cecal" (la cal, rozatoare, iepure, elefant etc.) corespunde animalelor cu stomac acid si un cecum bine dezvoltat. Materialele nedigerabile de catre enzimele digestive ale gazdei sunt fermentate intr-un cecum largit si in regiunea superioara a colonului. Celulele microbiene nu pot fi digerate de catre gazda, deoarece se formeaza distal fata de compartimentul enzimatic care ar putea asigura utilizarea lor. Tipul "cecal" este mai putin eficient decat cel ruminal. Handicapul este compensat, cel putin la unele specii, prin coprofagie, care asigura ingestia de nutrienti sub forma celulelor microbiene si de acizi organici rezultati din fermentatie.

Microbiota din rumen

Hrana unei mari varietati de mamifere este formata intr-o proportie importanta din materiale vegetale, pe care nu le pot digera, datorita absentei enzimelor necesare. Microorganismele din tubul digestiv asigura transformarea substantelor polizaharidice complexe (celuloze, hemiceluloze, pectine, amidon etc.) la forme asimilabile.

La ierbivorele nerumegatoare, dupa digestia din stomac si intestinul subtire, tesuturile vegetale sunt degradate intr-un cecum largit si in colon. Uneori, cecumul este atat de mare incat atinge lungimea corpului animalului. Digestia microbiana a materialului vegetal este relativ ineficienta, fiind de ordinul a 20 - 30%. Produsii de degradare sub actiunea microorganismelor sunt absorbiti prin mucoasa intestinala in sange, iar microorganismele sunt eliminate, in cea mai mare parte, prin fecale.

Rumegatoarele (bovine, ovine, caprine etc.) prezinta un compartiment specializat, pregastric - rumenul - la nivelul caruia are loc digestia polizaharidelor vegetale, prin actiunea bacteriilor si protozoarelor. La rumegatoare, "stomacul" este compartimentat, fiind alcatuit din rumen (burduf), reticulum (ciur) si omassum (foios), considerate ca expansiuni ale esofagului si abomassum (cheagul), singurul compartiment care contine glande gastrice si la nivelul caruia incepe digestia propriu-zisa.

Rumenul este populat de o comunitate complexa de microorganisme autohtone, formata din bacterii specifice anaerobe, protozoare ciliate, un numar mic de protozoare flagelate, cativa fungi anaerobi sau aerobi, aflati in tranzit, cu activitate nesemnificativa.

Bacteriile din rumen pot fi libere, imobile, mobile sau aderente de celulele mucoasei ruminale prin intermediul fimbriilor, glicocalixului sau polizaharidelor extracelulare. Cele mai multe colonizeaza masa alimentara. Din cele cateva sute de specii bacteriene din rumen, numai 17-30 domina numeric si au activitate biochimica functionala: Bacteroides amylogenes, B. amylophilus, B. ruminicola, B. succinogenes, Butyrivibrio fibrisolvens, Clostridium lochadii, Lachnospira fibrisolvens, Methanobacterium ruminantium, Ruminococcus albus, Succinogenes amylolitica etc.

Protozoarele din rumen sunt oligotriche (Diplodinium, Entodinium, Metadinium, Ophryoscolex). Ele inglobeaza si fermenteaza materialele particulate. Cele holotriche au pe langa activitate celulolitica, si capacitatea de a utiliza glucidele solubile si de a produce mataboliti utilizabili de catre gazda. Numarul lor este evaluat la 10⁵-10⁶ celule/ml.

Ca grup, importanta ecologica a protozoarelor deriva din capacitatea lor de a ataca celuloza, hemiceluloza, pectinele, amidonul, precum si de asimilare rapida a glucidelor solubile.

Protozoarele ciliate utilizeaza glucoza, fructoza, galactoza, zaharoza, rafinoza si inulina si produc acetat si butirat cand fermentatia este lenta, respectiv lactat cand fermentatia este rapida. O parte din azotul necesar, il obtin din celulele bacteriene pe care le ingera si le digera. Principala sursa de hrana a protozoarelor sunt bacteriile. Protozoarele utilizeaza aminoacizii eliberati prin proteoliza bacteriilor si a alimentelor, dar si de a sintetiza aminoacizi. Stocheaza polizaharide de rezerva, cu o lungime de 22 resturi de glucoza. Circa 75% din numarul protozoarelor sunt retinute in rumen unde mor si sunt lizate. Williams (1984) apreciaza ca 20% din proteinele microbiene disponibile pentru gazda provin din protozoare.

Microorganismele din rumen provin din surse exogene (aer, apa, furaje, contactul cu alte animale). Popularea rumenului are loc progresiv dupa nastere. Protozoarele apar in cea de a II-a luna dupa nastere, la vitel si este asociata cu cresterea capacitatii de digestie. Digestibilitatea atinge parametri normali la varsta de 12 luni.

La rumegatoare, hrana urmeaza un circuit special: dupa fragmentare, prin masticatie si amestec cu saliva, alimentele trec in rumen, unde microbiota initiaza procesul de fermentatie. Ulterior, masa alimentara este transferata in reticulum, este separata in portii mici - "ghemuri" - care sunt regurgitate in cavitatea bucala pentru re-masticatie si divizare in fragmente tot mai mici, marind suprafata de atac pentru microorganisme. Acestea prin actul deglutitiei trec direct in reticulum, in omassum, apoi in abomassum, duoden, intestin.

Digestia ruminala a materiilor vegetale este rezultatul unor procese complexe, care implica participarea a numeroase microorganisme si enzime.

Microorgnismele fibrolitice degradeaza polizaharidele vegetale in diferite grade, in functie de structura lor chimica (celuloza 58-80%, amidonul 75%, proteinele 88%, lignina 0%) Din celuloza si hemiceluloze, initial rezulta celobioza si glucoza, care apoi sufera fermentatia anaeroba, cu producere de oligozaharide solubile, utilizabile de catre microorganismele ruminale.

La bovine, sub actiunea enzimelor extracelulare, produsii finali ai fermentatiei substantelor complexe sunt o serie de acizi grasi volatili cu lant scurt, in principal acetat (40-80% din total), propionat, butirat si cantitati mici de acizi izobutiric, izovaleric, valeric, caproic si heptanoic. Este eliberata o cantitate mare de gaze (60-80 l/zi la bovinele mature), care sunt eliminate prin eructatie. Dintre acestea, 60-70% este CO₂, iar restul este CH₄.

Acizii grasi volatili sunt rapid absorbiti in circulatia sanguina si utilizati astfel: acetatul este sursa majora de energie; propionatul este singurul acid gras volatil care poate fi convertit la glucide prin procesul de gluconeogeneza.

O vaca de 500 kg poate sintetiza zilnic 1 kg de lactoza (corespunzator la 30 l de lapte), pornind de la acizii grasi volatili care trec prin peretele rumenului; butiratul este utilizat pentru sinteza acizilor grasi.

Proteinele din furaje, in rumen sunt hidrolizate de microorganisme, la peptide, aminoacizi si NH₃. Cantitati importante de NH₃ trec prin peretele ruminal in sange si sunt convertite in uree la nivelul ficatului. O parte din azotul care a urmat aceasta cale revine in rumen fie direct din circuitul sanguin, fie pe calea salivei, sub forma de uree. O parte din uree este eliminata prin urina. Ureea reintrata in rumen odata cu saliva este convertita la NH₃ si CO₂.

Simultan cu aceste reactii degradative, la nivelul rumenului are loc o sinteza de proteine microbiene, de la peptide, aminoacizi si NH₃, care amplifica marimea biomasei de microorganisme. In acelasi timp, exista o trecere continua de proteine alimentare nedigerate, de proteine microbiene si azot neproteic in abomassum si intestin, unde sunt hidrolizate la aminoacizi, care sunt absorbiti. In rumen, proteina alimentara cu valoare nutritiva redusa este convertita la proteina microbiana cu valoare mult mai ridicata.

Pornind de la premisa ca producerea de CH₄ si eliminarea lui prin eructatie reprezinta o pierdere de 10% din energia disponibila pentru rumegatoare, s-a incercat utilizarea unor tehnici de diminuare a producerii de CH₄ si de crestere simultana a eliberarii de acizi grasi volatili, care asigura o utilizare mai economica a hranei. Adaugarea antibioticului ionofor monesina in alimentatie creste randamentul formarii de propionat si scade productia de CH₄ in rumen. Animalele utilizeaza mai eficient hrana, consuma mai putin decat martorii, dar castiga in greutate cu aceeasi rata. Probabil, monensina selectioneaza microorganismele care produc mai mult propionat si mai putin H₂. Scaderea concentratiei de H₂ are drept consecinta diminuarea producerii de CH₄. Bacteriile metanogene isi obtin energia, prin oxidarea H₂ necesara reducerii CO₂ la CH₄.

Rolul fiziologic al microbiotei gastrointestinale

Studiile experimentale asupra animalelor axenice au aratat ca microbiota normala, in special intestinala, exercita efecte benefice asupra organismului gazda:

- stimuleaza dezvoltarea organelor cu care vine in contact direct

- sintetizeaza vitamine (vitamina K, acidul folic, acidul nicotinic, biotina, riboflavina, piridoxina, tiamina si acidul pantotenic), necesare metabolismului gazdei;

- stimuleaza mecanismele de aparare ale gazdei;

- favorizeaza mentinerea starii generale a gazdei, impiedicand implantarea in intestin a unor microorganisme patogene;

- degradeaza compusi chimici alimentari, care nu pot fi hidrolizati de sucurile digestive;

- favorizeaza eliminarea fecala a colesterolului.

Desi microbiota exercita efecte favorabile multiple asupra organismului gazda, ea nu este esentiala si nu este indispensabila pentru viata acestuia. Datorita evolutiei indelungate s-a creat o stare de dependenta a gazdei de anumiti stimuli, in special bacterieni. La ierbivorele rumegatoare, microbiota este esentiala pentru digestie si pentru existenta animalului, datorita absentei celulazelor din sucurile digestive.

Microorganismele gastrointestinale au functii nutritionale cu importanta diferita la rumegatoare si la mamiferele monogastrice. Studiile au evidentiat ca la rumegatoare, rolul microorganismelor indigene este esential, iar la animalele monogastrice si la om, rolul lor este mai curand accesoriu.

Fermentatia in intestinul gros. La animalele adulte, in functie de cantitatea de alimente ingerate si de natura lor, materialele ce nu pot fi degradate de enzimele acestora in stomac si de intestin sunt retinute temporar in intestinul gros. Ele includ constituienti fibrosi din materialele vegetale (celuloza, hemiceluloze), amidon, pectine, proteine, acizi nucleici etc. Lor li se adauga macromolecule endogene apartinand unor clase diferite de polizaharide ca, de exemplu, mucus gastrointestinal, imunoglobuline, constituienti ai celulelor descuamate etc., precum si unele glucide cu molecula mica, cum sunt stahioza din fasole, rafinoza din semintele de bumbac etc. La bolnavii cu deficienta genetica de hidroliza a lactozei, aceasta devine disponibila pentru fermentatie in intestinul gros. Nu se stie in ce masura, in intestinul gros, ajung componente ale carnii ingerate. Hidroliza substantelor complexe si transportul produsilor rezultati, in celulele bacteriene sunt efectuate de sisteme enzimatice inductibile. Sinteza enzimelor hidrolitice este blocata prin represie sau activitatea lor este inhibata prin feed-back. Fermentatia este asigurata de o comunitate complexa de bacterii care ataca hexozele cu producerea acizilor grasi volatili (acetic, propionic, n-butiric, izobutiric, valeric, izovaleric si caproic), CH₄, CO₂. O parte din acizii grasi rezultati in fermentatie sunt absorbiti prin peretele colonului, trec in sange si sunt matabolizati de organismul gazdei (Savage, 1986).

Unele microorganisme intestinale sintetizeaza in exces fata de nevoile proprii, o serie de vitamine pe care le elibereaza in lumenul intestinal (acid folic, piridoxina, biotina, acid pantotenic, riboflavina, vitaminele K si B₁₂. Nu se stie in ce masura ele sunt preluate efectiv de organismul uman, deoarece sunt produse, in special, de organisme din cecum si colon. Uneori, efectul este invers, de deficit al vitaminei B₁₂ pentru om, in urma consumarii ei de catre microorganismele intestinale. In plus, bacteriile se lizeaza si elibereaza in sistemul digestiv al mamiferelor, toate componentele celulare.

Unul dintre produsii azotati, care se gaseste in intestinul gros, este ureea. Ea ajunge in intestin prin difuzia din sangele capilarelor. Bacteriile o hidrolizeaza la CO₂ si NH₃, ultimul fiind folosit pentru biosinteze.

In cursul fermentatiei se produc cantitati importante de gaze (CO₂, H₂, CH₄, apreciate la 200 - 2000 ml/zi (Mallison, 1987). La circa 33% dintre indivizii umani, produsul major este CH₄. O mare parte din H₂ si CH₄ sunt absorbite in sange si sunt eliminate la nivel pulmonar. Producerea simultana de CH₄ si H₂ este rara, deoarece H₂ este folosit pentru reducerea CO₂ la metan.

Microbiota normala grabeste tranzitul digestiv, care este mult mai lent la animale germ-free. Mecanismul acestei actiuni este necunoscut. Probabil este rezultatul actiunii sinergice a unor constituienti chimici sau fizici din alimentatie si a produsilor finali de metabolism bacterian, asupra proceselor de neurotransmitere la muschii netezi.

Sistemul ecologic microbiota/intestin poate fi perturbat prin: a) administrarea unor substante antibiotice care distrug microorganismele sensibile si se produc disbioze; b) prin infectii sau alte boli ale sistemului.

Microbiota normala influenteaza rata de turnover a eritrocitelor si a activitatii lor enzimatice. Rata inlocuirii acestor celule este de doua ori mai mare la animalele conventionale de laborator decat la cele axenice.

Microbiota normala are functia de bariera antiinfectioasa. Microorganismele autohtone exercita o functie de bariera care protejeaza organismele animale de implantarea unor organisme alohtone, ce patrund cu alimentele sau cu apa. Aceasta functie este pregnant evidentiata de comportamentul diferit al animalelor axenice (germ-free) fata de cel al animalelor conventionale. Soarecii axenici pot fi infectati per os, cu mare usurinta cu inocul mic de Sh. flexneri sau de S. enteridis (10 celule bacteriene). Ele se multiplica, se stabilizeaza si se pastreaza la densitatea de 1-10 miliarde celule/g de continut intestinal. Animalele holoxenice (conventionale) elimina microorganismele infectante, cu aceiasi rata cu care indeparteaza un marker de control inert (sporii de B. subtilis, termofili, incapabili sa germineze). Doza infectanta este de 10⁶ celule de S. enteridis. Fenomenul a fost descris sub denumirea de "efect de bariera" (Ducluzeau, 1970).

Populatiile de microorganisme din sistemul digestiv si gazda lor formeaza un sistem ecologic al carui echilibru este indispensabil pentru sanatatea individului. In acest sistem se realizeaza o serie de interacttiuni complexe, sinergice si antagonice, pe de o parte intre diferitele populatii de microorganisme, iar pe de alta parte, intre ele si gazda lor, care asigura echilibrul sistemului. In starile de disbioza, care apar la om consecutiv terapiei cu antibiotice cu spectru larg, echilibrul este alterat.

Unele observatii de laborator demonstreaza existenta unor efecte negative ale microbiotei normale. Unele microorganisme indigene pot favoriza patrunderea unui microorganism patogen in organismul gazda. Entamoeba histolytica este totdeauna comensala in intestinul gros, la animalele de laborator. Stabilirea ei in organismele-gazda depinde de microbiota rezidenta. De aceea, animalele axenice sunt foarte rezistente la infectie. Rarele episoade de patogenitate la animalele conventionale sunt determinate, dupa Mackwiak (1982), de intervenetia factorilor de virulenta proveniti de la bacteriile intestinale indigene.

Relatia dintre microbiota normala si neoplazie a devenit evidenta dupa ce s-a demonstrat ca microorganismele pot hidroliza substante inofensive cu producere de compusi cancerigeni. Prin reducerea nitratului si aminelor (utilizati ca prezervanti) de catre microorganisme pot rezulta nitrozamine (Walker, 1973). Unele microorganisme intestinale pot sintetiza nitrozamine in vivo, la pH neutru.

Translocatia bacteriilor din intestin

Translocatia este fenomenul de trecere a bacteriilor din lumenul intestinal in ganglionii mezenterici, urmat adesea de localizare in diferitele situsuri extraintestinale. Procesul are loc cu precadere la persoanele imunosupresate, expuse unor mari traumatisme sau interventii chirurgicale si determina complicatii infectioase grave, adesea sistemice.

Translocatia se realizeaza, de obicei, practic, exclusiv cu bacterii aerobe si facultative aerobe: E. coli, K. pneumoniae, Proteus mirabilis, Enterococcus sp., Lactobacillus sp., C. albicans si probabil Staphylococcus sp., dar si cu bacterii patogene: Salmonella sp., L. monocytogenes.

Prin contrast, in mod normal, bacteriile strict anaerobe nu sunt expuse translocatiei din intestin si produc rareori complicatii infectioase. Ele pot fi translocate numai in cazurile in care integritatea mucoasei intestinale este grav compromisa (dupa iradiere letala, arsuri grave, ischemie mezenterica acuta, administrare orala a acidului ricinoleic etc.).

Bacteriile strict si facultativ aerobe sunt translocate prin epiteliul intestinal histologic inatact. Celulele epiteliului intestinal - in special cele ileale - ar reprezenta poarta principala de intrare, iar ganglionii limfatici mezenterici ar fi cei mai sensibili. Wells (1990) considera ca enterocitele fagociteaza bacteriile si le elibereaza la polul bazal, in lamina proprie. De aici pot lua calea limfatica, spre ganglionii limfatici mezenterici, sau ajung la ficat pe cale vasculara.

Bacteriile strict anaerobe nu pot transloca, deoarece se leaga greu de enterocite, neavand situsuri-receptor pentru celulele epiteliale intestinale. Ele trec numai prin epiteliul lezat. Raportul dintre celulele anaerobe si cele strict sau facultativ aerobe in intestin oscileaza intre 100 : 1 si 1000 : 1, ceea ce denota ca translocatia nu este dependenta de densitate.

Microorganismele probiotice

Conceptul de "probiotic" a fost formulat in 1965 (Lilly si Stillwell) pentru a descrie substantele produse de un protozoar (Tetrahymena pyriformis) care favorizeaza cresterea altui protozoar (Stylonychia sp.). Parker (1974), sub denumirea de probiotic, reuneste orice supliment alimentar, care are efect asupra gazdei, prin modificarea microbiotei intestinale.

Fuller (1989) considera ca probiotic orice organism viu care adaugat alimentelor are efect benefic asupra organismului gazda prin ameliorarea echilibrului microorganismelor din sistemul digestiv.

Preparatele probiotice utilizeaza una sau mai multe tipuri de bacterii (Lactobacillus, Bifidobacterium sp.) si se adauga in hrana animalelor de crescatorie sau sub diferite forme (granule, pudra, pasta, capsule).

Caracteristicile unui bun probiotic insumeaza:

- lipsa de patogenitate si toxicitate

- capacitatea de a supravietui in mediul intestinal

- sa exercite efecte benefice asupra organismului gazda

- sa fie accesibil din punct de vedere economic

- sa fie stabil prin tehnica de conservare.

Modul de actiune al probioticelor este relativ putin cunoscut, dar s-au identificat cateva cai majore:

1)Efectul direct, antagonist prin producerea unor metaboliti de tipul acizilor organici, H₂O₂ sau a unor substante macromoleculare cu actiune antimicrobiana; competitie pentru nutrienti; blocarea colonizarii bacteriilor patogene prin competitie pentru situsurile de aderenta pe suprafata epiteliului intestinal;

2) Modificarea metabolismului microbiotei intestinale, prin cresterea activitatii unor enzime sau diminuarea altora;

3) Stimularea imunitatii prin cresterea activitatii macrofagelor si a concentratiei de sIgA.

Efectele produselor probiotice sunt: a)stimularea cresterii in greutate si protectia fata de infectiile intestinale; b)atenuarea fenomenelor de intoleranta la lactoza prin deficienta congenitala a β-galactozidazei; c)Lactobacillus sp. exercita un efect anticancerigen prin inhibarea cresterii celulelor tumorale si prin inhibarea cresterii bacteriilor, care prin activitatea lor enzimatica elibereaza substante cancerigene din complexe inofensive.

Microbiota normala a tractului urogenital

Tractul urogenital este steril, cu exceptia uretrei si a vaginului. Microorganismele pot sa migreze ascendent prin uretra, pana in vezica urinara, dar in mod normal sunt rapid eliminate de anticorpii din secretii, de actiunea microbicida a celulelor epiteliale ce captusesc vezica, ca si de fluxul urinar descendent.

Uretra feminina este colonizata de un numar mare de lactobacili, streptococi si stafilococi coagulaza-negativi. Bacteriile de origine fecala (E. coli, Enterococcus faecalis, Proteus mirabilis, C. albicans) pot coloniza tranzitoriu uretra, dar cand ajung in vezica urinara, prolifereaza si produc infectii ale tractului urinar.

Microbiota vaginala este mai abundenta si mai diversificata. Predomina lactobacilii, deoarece se multiplica in mediul acid. Alti anaerobi vaginali: Bifidobacterium, Peptostreptococcus, Porphyromonas.

Bacterii aerobe: Staphylococcus, Streptococcus, Corynebacterium, Mycoplasma, Candida. In mod obisnuit, Trichomonas este prezent in numar mic, dar poate prolifera si produce vaginita.

Gnotobioza si animalele gnotobiotice

Conceptul de animal axenic ("germ-free") a fost enuntat de Pasteur (1885). El considera ca viata animalelor este imposibila in absenta microorganismelor. Abordarile experimentale ale lui Thierfelder si Nuttall (1895) au invalidat conceptiile lui Pasteur. Reyniers (1949) a stabilit conditiile tehnice speciale pentru obtinerea animalelor gnotobiotice.

Terminologia utilizata in studiile de gnotobiologie a fost propusa de Reyniers (1949) si completata de Luckey (1965) si Gordon si Pesti (1971).

Gnotobiotic (gr. gnotos cunoscut) este animalul scos prin interventie cezariana sau ecloziune sterila din ou, crescut si mentinut continuu in conditii de izolator, prin tehnici "germ-free".

Gnotofor - animal purtator al unei (unor) specii cunoscute de microorganisme inoculate in mod deliberat.

Axenic (steril sau germ-free) - animal lipsit de orice microorganism viabil.

Monognotofor - animal axenic, inoculat cu o singura specie cunoscuta de microorganisme.

Dignotofor - animal axenic inoculat cu doua specii de microorganisme cunoscute.

Gnotobiologie - biologia sistemelor in care sunt prezente numai specii cunoscute.

Conventional - animal crescut in conditii obisnuite, in mediu deschis, care contine microorganismele asociate tractului digestiv, pe tegument, etc.

Conventionalizate - animal axenic, trecut ulterior in conditii de viata libera.

SPF ("Specific pathogen free") - animale putatoare ale unei microbiote conventionale normale, in absenta oricarui agent patogen (microorganism sau virus) cunoscut.

Obtinere. Mamiferele "sterile" se obtin prin interventie chirurgicala cezariana, in spatiu steril, urmata de histerectomie si transferul uterului in camera sterila a unui izolator, in care este eliberat nou-nascutul. Ouale aflate la sfarsitul perioadei de incubare sunt supuse unei bai germicide, iar ecloziunea are loc intr-un dispozitiv sterilizat.

Sistemul izolator de crestere este alcatuit din mai multe compartimente ermetic inchise. Fluxul de aer, hrana si apa sunt sterilizate.

Au fost crescute in conditii axenice, gandaci si melci, rate, gaini si prepelite, soareci, sobolani, cobai, iepuri, oi, caini, porci, bovine, maimute si ponei. Ele au fost pastrate in conditii de sterilitate microbiologica mai multe generatii, cu un comportament aparent normal.

Caracteristicile animalelor "germ-free"

Animalele axenice sunt, in esenta, animale normale, care difera de cele conventionale prin absenta microbiotei asociate.

Din punctul de vedere al ratei de crestere, al capacitatii de reproducere si al longevitatii, sunt comparabile celor conventionale sau chiar superioare. Fenomenele de imbatranire sunt mai lente, sau durata vietii este chiar prelungita (gaini, maimute).

Organele care sunt in contact continuu si intim cu microorganismele sau cu antigene provenite din acestea (ficatul, intestinul, ganglionii limfatici) sunt mai mici decat la animalele conventionale. In schimb, cecum-ul la rozatoare si gusa, oasele si intestinul gros la puii de gaina sunt mai mari decat la animalele conventionale.

Cecum-ul la rozatoare (soarece, sobolan, cobai) este mult marit la animalele axenice, iar continutul sau este de 5 ori mai mare decat la animalele conventionale. Dimensiunile sale revin la normal dupa inocularea animalelor cu E. coli, Proteus vulgaris, Streptococcus faecalis, etc. Microbiota ar avea rolul de asigurare al tonusului peretelui intestinal.

Ganglionii limfatici, la animalele axenice sunt subdezvoltati, iar numarul limfocitelor este redus. Concentratia imunoglobulinelor este de numai 15 - 50% din cea normala. Sinteza lor este indusa de antigene bacteriene sau de alta natura, prezente in hrana sterilizata, capabile sa induca imunizarea dupa administrarea orala.

Pleasants (1973) a obtinut animale cu stare imunitara de baza, in absenta oricarei stimulari antigenice ("antigen-free"), prin hranire cu o dieta hidrosolubila (aminoacizi, glucoza, vitamine, saruri minerale, etc.). La organismele "antigen-free" concentratia imunoglobulinelor este nedetectabila prin tehnicile obisnuite.