Grzyby mikoryzy arbuskularnej (AM) to kategoria endofitów przenoszonych przez glebę, które są stale przedmiotem zainteresowania badaczy. Ich obecność w korzeniach większości roślin i ich udział w obiegach składników odżywczych sprawia, że są one niezbędnymi składnikami stabilności każdego ekosystemu, w którym występują rośliny zielne1,2. Poprzez swoją grzybnię pozakorzeniową, AM działają jako rozszerzenie grzybów dla korzeni roślin, szczególnie w trudno dostępnych miejscach3. Główna aktywność dotyczy korzeni roślin żywicielskich, gdzie AM rozwija duże sieci strzępek i specyficzne struktury wewnątrzkomórkowe zwane arbuskulami. Brak specyficzności gospodarza pozwala symbiontowi na kolonizację wielu gatunków w tym samym czasie. Ta zdolność zapewnia AM rolę alokacji zasobów i regulacji składników odżywczych w ekosystemie; Grzyb zapewnia również wsparcie w przetrwaniu roślin i pomaga w ich wydajności4,5,6,7. Reakcja gatunków AM na korzenie żywiciela jest widoczna w rozciągnięciu i lokalizacji grzybni wewnątrzkorzeniowej oraz w obecności i kształcie arbuskul rozwiniętych wewnątrzkomórkowo. Arbuskule wewnątrzkomórkowe działają jako punkt wymiany między dwoma symbiontami i reprezentują obszary charakteryzujące się szybkimi procesami przenoszenia. Struktury wytwarzane przez AM są zależne od gatunku i oprócz arbuskul w korzeniach rozwijają również pęcherzyki, zarodniki i komórki pomocnicze.
Istnieje wiele wyzwań związanych z oceną symbiontów AM w korzeniach roślin8,9. Pierwszym z nich jest ich ciągły rozwój przez cały okres wegetacji gospodarzy, co prowadzi do wielorakich zmian w strukturze arbuskularnej strzępek. Różne etapy wzrostu arbuskularnego, aż do ich zapadnięcia się, są wyraźnie obecne w korzeniach, ale starcze struktury AM są czasami trawione, co sprawia, że są tylko częściowo widoczne10. Drugim wyzwaniem jest metoda i protokół barwienia, duża różnorodność systemów korzeniowych, wymiary ich komórek oraz różnice w grubości, które utrudniają zaproponowanie jednolitej metody. Ostatnim wyzwaniem jest ocena i punktacja kolonizacji AM. Istnieje wiele metod, które oceniają AM z różnym stopniem obiektywności, a większość z nich jest nadal ograniczona do technik mikroskopowych. Proste opierają się na obecności/braku struktur w korze korzenia, podczas gdy bardziej złożone opierają się na ocenie wizualnej i wykorzystaniu klas kolonizacji, z integracją częstotliwości i intensywności zjawiska kolonizacji. W ciągu ostatnich dziesięcioleci uzyskano wiele danych na temat stanu mikoryzy wielu gatunków, ale większość metod ogranicza się do obserwowanej wartości kolonizacji bez wskazywania na rzeczywiste położenie każdej struktury w korze korzeniowej. W odpowiedzi na konieczność uzyskania dokładniejszych wyników kolonizacji AM, opracowano metodę opartą na analizie mikroskopowej wzorców mikoryzowych (MycoPatt) w korzeniach, aby zestawić, w formie cyfrowej, szczegółowe mapy mikoryzowe 11. Metoda pozwala również na obiektywne obliczenie parametrów kolonizacji i określenie rzeczywistego położenia każdej struktury w korzeniu.
Pozycja struktur grzybów AM może być ważna w odpowiedzi na następujące dwa pytania. Pierwsza z nich związana jest z analizą kolonizacji w jednym konkretnym momencie z cyklu wegetacyjnego rośliny. W tym kontekście bardzo przydatna jest obserwacja obfitości arbuskularnej/pęcherzykowej, raportowanie, w jaki sposób są one zlokalizowane w korzeniu oraz zapewnienie bardzo wyraźnego obrazu i parametrów kolonizacji. Drugi związany jest z wykrywaniem strategii grzyba i jego orientacją, a nawet prognozą jego przyszłego rozwoju. Jedna aplikacja MycoPatt może być stosowana dla roślin analizowanych codziennie, co 2-3 dni, co tydzień lub podczas różnych etapów wzrostu. W tym kontekście lokalizacja pęcherzyków/arbuskuł jest ważna, aby lepiej zrozumieć biologiczny mechanizm kolonizacji AM. Te parametry i obserwacje są bardzo przydatne do uzupełniania parametrów matematycznych.
Celem tego artykułu jest zademonstrowanie zdolności systemu MycoPatt do badania potencjału i strategii kolonizacji rodzimych grzybów AM w korzeniach Zea mays (kukurydza) podczas różnych etapów rozwoju oraz w korzeniach Festuca rubra (kostrzewa czerwona) w różnych warunkach długotrwałego nawożenia. Aby spełnić ten cel, przeanalizowano dwie duże bazy danych z dwóch eksperymentów. Eksperyment z kukurydzą został założony w Cojocna (46°44′56" szerokości geograficznej północnej i 23°50′0" długości. E), w Eksperymentalnym Gospodarstwie Dydaktycznym Uniwersytetu Nauk Rolniczych i Medycyny Weterynaryjnej w Klużu na phaeoziom o gliniastej teksturze soil12. Eksperyment z kostrzewą czerwoną jest częścią większego stanowiska doświadczalnego założonego w 2001 roku w Ghețari w górach Apuseni (46°49'064" szerokości geograficznej północnej i 22°81'418'' długości. E), na glebie preluvosol (terra rossa) type13,14. Kukurydza została zebrana w pięciu różnych fenofazach wzrostu12: B1 = 2-4 liście (jako punkt kontrolny dla początku kolonizacji mikoryzowej); B2 = 6 liści; B3 = 8-10 liści; B4 = tworzenie kolb; B5 = dojrzałość fizjologiczna. Począwszy od etapu 2-4 liści (A0), zastosowano zabieg organiczny, w wyniku którego uzyskano współczynnik dwustopniowy (A1 = kontrola i A2 = poddany obróbce). Korzenie kostrzewy czerwonej zebrano podczas kwitnienia w eksperymencie z pięcioma długoterminowymi nawożeniami13,14: V1 = kontrolny, niezapłodniony; V2 = 10 t·ha-1 obornika; V3 = 10 t·ha-1 obornik + N 50 kg·ha-1, P2O5 25 kg·ha-1, K2O 25 kg·ha-1; V4 = N 100 kg·ha-1, P2O5 50 kg·ha-1, K2O 50 kg·ha-1; V5 = 10 t·ha-1 obornik + N 100 kg·ha-1, P2Ø5 50 kg·ha-1, K2Ø 50 kg·ha-1. W każdym etapie rozwoju zebrano po pięć roślin z każdego wariantu nawożenia. Przeanalizowano protokoły barwienia i ich wydajność pod względem czasu przetwarzania próbki i jakości barwienia. Związek między rozwojem strzępek AM a obecnością ich struktur w korzeniach analizowano oddzielnie dla każdego gatunku i kontynuowano identyfikację najbardziej liberalnych korzeni do kolonizacji. Specyficzne wzorce kolonizacji każdego systemu korzeniowego przeanalizowano w oparciu o mapy kolonizacji i wartość parametrów AM.
Kukurydza jest rośliną jednoroczną, co implikuje ciągły wzrost korzeni, i to był główny powód zastosowania MycoPatt w fazie wzrostu. Kostrzewa czerwona to wieloletnia roślina pochodząca z użytków zielonych, traktowana przez długi czas różnymi nawozami. Jej korzenie rozwijają się krócej niż 1 rok, a anteza jest uważana za punkt wegetacji, w którym roślina zmienia swój metabolizm z wegetatywnego na generatywny. Aby złapać te rośliny w tych intensywnych okresach aktywności, wybrano wyżej wymienione punkty czasowe. Pobieranie próbek w okresie wegetacji jest trudne dla tego gatunku, gdy jest uprawiany na naturalnych użytkach zielonych.