Симбиозы с участием микроорганизмов

Лекция 6. Симбиозы с участием микроорганизмов
• Симбиозы, типы взаимодействий в них и их
классификация
• Особенности
взаимовыгодных
и
паразитических
симбиозов
• Микробные симбиозы
• Симбиозы
микроорганизмов
с
растениями
(микроорганизмы, ассоциированные с разными частями
растений, фитопатогенные микроорганизмы)
• Микроорганизмы и животные – примеры симбиозов
• Нормальная микробиота животных как сложный
«сборный» орган, ее основные функции
• Дисбактериоз.
Микроорганизмы-оппортунисты.
Патогенные микроорганизмы
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
В природных условиях микроорганизмы подвержены
воздействию не только физико-химических факторов,
но и других живых существ (биотических факторов)
Микроорганизмы участвуют в биотических связях не в
виде одной клетки, а в составе популяции
Любой организм для своего развития должен получать
питательные вещества. В качестве основного
показателя жизнедеятельности обычно рассматривают
параметры роста организма
В природе крайне редко создаются оптимальные для
микроорганизмов
условия,
ресурсы поступают
медленно, непостоянно и в небольших количествах
Взаимоотношения с другими организмами возникают
прежде всего при использовании доступных
источников питания
Типы взаимодействий организмов
Кооперация – совместное
(коллективное) потребление
субстрата, устанавливаются
прочные трофические связи
Конкурентные
взаимоотношения
(антибиоз) – борьба за
одинаковое питательное вещество
Хищничество (одна
Факультативная
кооперация
(обычно в
аэробных
условиях при
накоплении
какого-либо
вещества)
Облигатная
кооперация
(в анаэробных
условиях из-за
термодинамических ограничений)
группа организмов
использует другую в пищу) –
скользящие бактерии,
простейшие
Выработка специальных веществ для
подавления жизнедеятельности
конкурента
(антибиотиков, токсинов, спиртов,
кислот, щелочей и т.д.)
КЛАССИФИКАЦИЯ СИМБИОЗОВ
Симбиоз (совместное существование) – это ассоциация организмов,
объединенная трофическими, пространственными, защитными и другими
связями
 По входящим в него компонентам (микро + микро, микро + макро, макро +
макро)
 По расположению компонентов друг относительно друга (экзо- и
эндосимбиоз). В первом случае более мелкий компонент располагается на
поверхности более крупного, а во втором - один партнер находится внутри
другого. Более крупный партнер обычно называют организмом-хозяином
 По характеру взаимоотношений (мутуализм, паразитизм, нейтрализм). Кроме
этих «крайних» форм можно найти много «переходных» (комменсализм,
аменсализм, носительство). Характер симбиоза может меняться при смене
условий (нормальная микробиота человека и условно патогенные
микроорганизмы)
 По степени обязательности совместного существования для партнеров
(облигатный – вирусы, риккетсии, хламидии и факультативный –
симбиотическая азотфиксация)
В СИМБИОЗАХ РЕАЛИЗУЮТСЯ ДВЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПИТАНИЯ
САПРОТРОФИЯ - микроорганизм-симбионт, как и
свободноживущие формы, использует органические соединения,
образуемые в процессе жизнедеятельности других организмов,
или продукты разложения их мертвых остатков
ПАРАТРОФИЯ - микроорганизм полностью зависит от
метаболизма хозяина, потребляя образованные им сложные
органические вещества и часто изменяя метаболизм хозяина в
соответствии со своими потребностями
ОСОБЕННОСТИ СОЖИТЕЛЬСТВА МИКРООРГАНИЗМОВ С ВЫСШИМИ ОРГАНИЗМАМИ
• Микробные
клетки могут обитать как на поверхностях, так и в различных
полостях и тканях высших животных и растений
• Резидентные микроорганизмы постоянно присутствуют и размножаются в
организме животного или растения, а транзитные могут попадать туда
периодически из окружающей среды
• Симбиотические отношения с макроорганизмом основаны прежде всего на
обмене продуктами метаболизма (прижизненные выделения и отмершие части
макроорганизма) и предоставлении жизненного пространства (макроорганизм
обеспечивают достаточно постоянные условия для роста микробов и в ряде
случаев защищает микробную популяцию от внешних воздействий)
• При образовании симбиоза с высшим организмом микроорганизмы вступают во
взаимодействие с защитными системами хозяина и с другими микроорганизмамисимбионтами этого макроорганизма
• Ни один природный макроорганизм не может нормально существовать без
«дружественных» симбиотических микроорганизмов
• Представления о количестве партнеров, необходимых для создания устойчивых
симбиозов,
претерпели
существенные
изменения
(бактерии-хелперы,
простекобактерии)
Н
2
МУТУАЛИСТИЧЕСКИЕ МИКРОБНЫЕ СИМБИОЗЫ (основаны на взаимном улучшении
обстановки друг для друга: Полимер
защите от внешних воздействий, получении тех или иных
питательных компонентов и преимущества в размножении)
 КЕФИРНЫЕ ЗЕРНА – молочнокислые
бактерии+дрожжи(+уксуснокислые бактерии)
Пищеварительная
вакуоль
Мономеры
Пируват
 «ЧАЙНЫЙ ГРИБ» – уксуснокислые бактерии+дрожжи
 Неподвижные
сульфатредуктор
аноксигенные
фототрофы
Фд
+
Ацетат
СО2
Зеленые серные
бактерии
Ацетил-КоА
 Простейшие + метаногены
Ацетат
СО2
Н2
Н2
АТФ
 Простейшие + цианобактерии (водоросли)
подвижный
СН4
(Chlorobium,
Крупная нефототрофная
Prosthecochloris)
бактерия
Эндосимбионт
Гидрогеносома
 ЛИШАЙНИКИ – грибы + цианобактерии
(водоросли)
Ацетат
Фототрофные
бактерии
коричневыми
Крупная
пигментами
нефототрофная
бактерия
Фототрофные
бактерии с
зелеными
СОпигментами
2
Н2
Эпибионт
СН4
ПАРАЗИТИЧЕСКИЕ МИКРОБНЫЕ СИМБИОЗЫ
o Вирусы (в том числе, бактерио-, актино- и цианофаги) + клетка-
хозяин
o Бактерии из рода Bdellovibrio + грамотрицательные водные
бактерии
o Бактерии из рода Campylobacter + зеленые микроводоросли
МУТУАЛИСТИЧЕСКИЕ СИМБИОЗЫ
МИКРООРГАНИЗМОВ С РАСТЕНИЯМИ – обмен
метаболитами, предоставление пространства,
создание среды обитания, Обеспечение
доступными формами питания
 Ризосфера + корень растения
 МИКОРИЗА (АКТИНОРИЗА)
 Эпифитная микробиота +
поверхности растения
 АЗОТФИКСИРУЮЩИЕ КЛУБЕНЬКИ
 Водные папоротники +
азотфиксирующие
цианобактерии
Корневой
волосок
Азотфиксирующие бактерии в
почве
Корень
Бактероиды в
клетках корня
Разрастание
тканей корня
(клубенек)
Инфекционная нить
ФИТОПАТОГЕННЫЕ (ВЫЗЫВАЮЩИЕ
БОЛЕЗНИ РАСТЕНИЙ)
МИКРООРГАНИЗМЫ
 Фитопатогенные бактерии относятся к
родам Erwinia, Pseudomonas, Xanthomonas,
Bacillus, Corynebacterium, Agrobacterium,
Mycobacterium и др. (более 300 видов), есть
среди грибов и вирусов
 Распространение инфекции может
происходить через инфицированные семена
и остатки больных растений, почву,
грунтовые и дождевые воды, с помощью
различных переносчиков
 Эпифитная микробиота препятствует
колонизации нежелательными
микроорганизмами
 Развитие инфекционного процесса зависит
от наличия возбудителя, восприимчивости
растения и комплекса факторов внешней
среды
 Деятельность человека способствует
распространению болезней растений на
большие расстояния
МУТУАЛИСТИЧЕСКИЕ СИМБИОЗЫ МИКРООРГАНИЗМОВ С ЖИВОТНЫМИ
 Макроорганизм создает постоянство физико-химических параметров
микробного местообитания и предохраняет внутреннюю и полостную
микробиоту от неблагоприятных условий внешней среды
 Микроорганизмы помогают хозяину эффективней использовать питательные
вещества, защищают его от токсинов и препятствуют внедрению патогенных
микробов
 При совместном существовании в симбиозе жизнедеятельность и
размножение партнеров скоординировано
 Мутуалистический симбиоз основывается на балансе между агрессивными и
защитными функциями партнеров, когда макроорганизм «делится» питанием с
микроорганизмами, а часть клеток популяции микросимбионта лизируется и
используется как субстраты
 Микробиота полостей тела животных и человека считается экзосимбионтом,
поскольку занимает внешнее положение по отношению к тканям хозяина
ПРИМЕРЫ МУТУАЛИСТИЧЕСКИХ СИМБИОЗОВ МИКРООРГАНИЗМОВ С ЖИВОТНЫМИ
 Асцидии, губки, коралловые
полипы, гидры + фото- и
хемоавтотрофные эу- и прокариотные
микроорганизмы (убежище,
дополнительное питание и отвод
токсичных продуктов метаболизма)
 Трубчатые черви, двустворчатые
молюски, креветки + тионовые (и
метанотрофные) микроорганизмы
(убежище, первичное органическое
вещество)
 Моллюски, глубоководные рыбы,
креветки и др. + светящиеся бактерии
(убежище, защитная функция,
помощь в охоте
и размножении)
ПРИМЕРЫ МУТУАЛИСТИЧЕСКИХ СИМБИОЗОВ МИКРООРГАНИЗМОВ С ЖИВОТНЫМИ
 Термиты + целлюлозолитическое
анаэробное микробное сообщество
(эмиссия метана)
 Муравьи-листорезы + «грибные
сады»
РУБЕЦ ЖВАЧНЫХ ЖИВОТНЫХ
Под действием сложного сообщества рубца расщепление грубой растительной
пищи происходит в течение 0,5-2 сут. Микробиота рубца наряду с
осуществлением процессов расщепления сложных целлюлозосодержащих
биополимеров до легко усваиваемых соединений обеспечивает животное
витаминами, веществами-регуляторами и факторами роста, защищает
внутренние органы от прикрепления и развития патогенных микроорганизмов,
стимулирует иммунную систему животного. При рождении детеныша жвачного
животного компоненты нормальной микробиоты рубца передаются ему со
слюной матери, с ее кожных покровов при кормлении и с кормом. Связи между
симбионтами устанавливаются в первые дни после рождения
Целлюлоза
Брожения
Гидролиз
Глюкоза
Метаногенез
Ацетат, Н2
СН4
СО2
Биомасса
микробов
Лизис
Органические кислоты,
аминокислоты
Всасывание
в кровь
Биомасса
животного
НОРМАЛЬНАЯ МИКРОБИОТА ЧЕЛОВЕКА
 У здорового человека только кровь
и лимфа не содержат
микроорганизмов
 Внешние (кожные покровы,
волосы, ногти) и внутренние
(слизистые оболочки
пищеварительной, дыхательной и
мочеполовой систем) поверхности
тела населены многочисленными и
разнообразными микроорганизмами
 Многие члены нормальной
микробиоты при ослабленных
состояниях могут вызывать
заболевания (условно патогенные,
оппортунисты)
ДИСБАКТЕРИОЗ - нарушение видового состава
и количественных соотношений компонентов
кишечного микробного сообщества под
действием различных факторов
УСЛОВНО ПАТОГЕННЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ
(ОППОРТУНИСТЫ) – микроорганизмы нормальной
микробиоты, способные вызывать заболевания
при изменении условий
ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ:
 Неправильное питание
 Отравления
 Неграмотное использование
антибиотиков
ПОСЛЕДСТВИЯ:
 Снижение усвоения пищи
 Изменение течения многих
реакций
 Появление вредных продуктов
обмена
 Развитие возбудителей
заболеваний
 Авитаминозы и нарушения
обмена веществ
 Доминирование условно
патогенных микроорганизмов
 Энтеробактерии (кишечная палочка,
протей)
 Псевдомонады
Стрептококки, стафилококки
Дрожжи рода Candida
ПАРАЗИТИЧЕСКИЕ СИМБИОЗЫ ЖИВОТНЫХ И МИКРООРГАНИЗМОВ
• Паразитический симбиоз – это совместное существование, при котором один из
партнеров (паразит) живет за счет другого (хозяина) и может наносить ему вред
• Значительную часть паразитических симбиозов формируют микроорганизмы,
обладающие патогенностью (свойством вызывать болезнь)
• Микроорганизмы-возбудители одного вида могут различаться по степени
патогенности (вирулентности)
• Болезнетворные представители имеются среди бактерий, грибов и простейших
• Для большинства болезнетворных микроорганизмов характерна специфичность
действия: определенный вид возбудителя обычно вызывает конкретное
инфекционное заболевание
• Для осуществления агрессии паразит должен обладать особыми соединениями и
структурами – факторами патогенности, каждый из которых отвечает за
конкретную стадию развития инфекционного процесса
• Степень зависимости возбудителя от хозяина может быть разной: для
облигатных паразитов макроорганизм служит единственной средой обитания
(вирусы, хламидии, риккетсии), факультативные паразиты способны
определенное время существовать во внешней среде в процессе смены хозяина
или в некультивируемом состоянии (вибрион холеры), внешняя среда является
обычной средой обитания для случайных паразитов (сибиреязвенных бацилл,
легионелл и др.), которые при случайном попадании в макроорганизм могут
вступать в паразитический симбиоз и убивать хозяина
• Инфекционным процессом называют процесс взаимодействия паразита и
хозяина
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Факультет _____________________________
Курс __________________________________
Группа ________________________________
Фамилия Имя Отчество __________________
Дата: 26 марта 2014 г.
Вопрос 1.
Какие симбиозы микроорганизмов с растениями
вы знаете? Перечислите.
Вопрос 2.
Какие вам известны симбиозы микроорганизмов
с животными? Перечислите.