ആതിഥേയ സസ്യങ്ങളും അവയുടെ ബാക്ടീരിയ പങ്കാളികളും

 

Host plants and their bacterial partners

മിക്ക പയർ വർഗ്ഗങ്ങളും — പീസ്, ബീൻസ്, ക്ലോവർ തുടങ്ങിയവ — നൈട്രജൻ നിശ്ചലീകരിക്കുന്ന (Nitrogen Fixing) ബാക്ടീരിയകളുമായി (പ്രധാനമായും Rhizobium ജനുസ്സിൽപ്പെട്ടവ) സഹജീവിത ബന്ധം  (symbiotic relationship) സ്ഥാപിക്കുന്നു. ഈ പരസ്പര ഗുണകരമായ ബന്ധത്തിൽ (mutualistic association), സസ്യം ബാക്ടീരിയക്ക് ഒരു രക്ഷിതമായ ആവാസവ്യവസ്ഥയും ഊർജത്തിന് കാർബോഹൈഡ്രേറ്റുകളും നൽകുന്നു, അതേസമയം ബാക്ടീരിയ അന്തരീക്ഷ നൈട്രജനെ സസ്യത്തിന് ഉപയോഗിക്കാവുന്ന രൂപത്തിലേക്ക് മാറ്റുന്നു.

ആതിഥേയ സസ്യങ്ങളും അവയുടെ ബാക്ടീരിയ പങ്കാളികളും

പയർ വർഗ്ഗങ്ങളുടെയും നൈട്രജൻ നിശ്ചലീകരിക്കുന്ന ബാക്ടീരിയകളുടെയും സഹജീവിതബന്ധം വളരെ പ്രത്യേകതയുള്ളതാണ്. Rhizobium ജനുസ്സിലോ അതുമായി ബന്ധപ്പെട്ട മറ്റു ജനുസ്സുകളിലോപ്പെട്ട ചില ബാക്ടീരിയകൾ നിശ്ചിത സസ്യങ്ങളോടു മാത്രമേ കൂട്ടുകെട്ട് (നോഡ്യൂൾ) രൂപീകരിക്കൂ.

ഉദാഹരണങ്ങൾ:

• Rhizobium leguminosarum: ആതിഥേയ സസ്യങ്ങൾ: പീസ്, ലെന്റിൽ, വെച്ച്, ഫാബ ബീൻസ്
• Bradyrhizobium japonicum: ആതിഥേയ സസ്യം: സോയാബീൻസ്
• Rhizobium phaseoli: ആതിഥേയ സസ്യം: സാധാരണ ബീൻസ്
• Sinorhizobium meliloti: ആതിഥേയ സസ്യം: അൽഫാൽഫ
• Mesorhizobium ciceri: ആതിഥേയ സസ്യം: കടല (ചിക്ക്പീസ്)

സഹജീവിത ബന്ധം: Rhizobium ഉപയോഗിച്ചുള്ള ഒരു ഉദാഹരണം

നൈട്രജൻ നിശ്ചലീകരിക്കുന്ന വേര് നോഡ്യൂൾ (മുഴ) രൂപീകരണം സസ്യവും ബാക്ടീരിയയും തമ്മിലുള്ള നിരവധി സിഗ്നൽ ഘട്ടങ്ങൾ ഉൾക്കൊള്ളുന്ന ഒരു സങ്കീർണ പ്രക്രിയയാണ്. (The formation of nitrogen-fixing root nodules is a complex process involving a series of signaling steps between the legume and the bacteria.)

1. രാസസമ്പർക്കം (Chemical communication):

പയർസസ്യങ്ങളുടെ വേര് ഭാഗം ഫ്ലാവോനോയിഡ് (flavonoid) എന്നറിയപ്പെടുന്ന രാസസിഗ്നലുകൾ മണ്ണിലേക്കു പുറപ്പെടുവിക്കുന്നു. ഇതുവഴി അനുയോജ്യമായ Rhizobium ബാക്ടീരിയകളെ ആകർഷിക്കുന്നു.

2. ഇൻഫെക്ഷൻ ത്രെഡ് രൂപീകരണം (Infection thread formation):

ഫ്ലാവോനോയിഡുകളുടെ പ്രതികരണമായി Rhizobium ബാക്ടീരിയകൾ Nod factors എന്ന രാസപദാർത്ഥങ്ങൾ സൃഷ്ടിക്കുന്നു. ഇതുമൂലം വേര് രോമങ്ങൾ വളഞ്ഞ് ചുറ്റി പിടിക്കുന്നു. ഈ ഘട്ടത്തിൽ ബാക്ടീരിയകൾ വേർ രോമത്തിനുള്ളിലേക്ക് കടന്നു infection thread എന്ന നാളികാ ഘടന (tubular structure) രൂപപ്പെടുത്തുന്നു.

3. നോഡ്യൂൾ (മുഴ) രൂപീകരണം (Nodule formation):

ഇൻഫെക്ഷൻ ത്രെഡ് വേറിന്റെ അകത്തെ പാളിയിലേക്കു വളർന്ന്, അവിടെയുള്ള സസ്യ കോശങ്ങൾ വിഭജിക്കാനും വേര് മുഴ (root nodule) എന്ന  പ്രത്യേക ഘടന രൂപപ്പെടുത്താനും പ്രേരിപ്പിക്കുന്നു.

4. നൈട്രജൻ നിശ്ചലീകരണം (Nitrogen fixation):

നോഡ്യൂളിനുള്ളിൽ ബാക്ടീരിയകൾ bacteroid എന്ന രൂപത്തിലേക്ക് മാറി അന്തരീക്ഷ നൈട്രജൻ (N2N_2N2​) നെ അമോണിയയായി (NH3NH_3NH3​) മാറ്റുന്നു. ഇതിന് nitrogenase എന്ന എൻസൈം ആവശ്യമാണ്, അത് ഓക്സിജൻ ഇല്ലാത്ത സാഹചര്യത്തിൽ മാത്രമേ പ്രവർത്തിക്കൂ.

5. പരസ്പര ഗുണം (Mutual benefit):

നൈട്രജനേസ് എൻസൈമിനെ ഓക്സിജനിൽ നിന്ന് സംരക്ഷിക്കാൻ, സസ്യം leghemoglobin എന്ന പ്രോട്ടീൻ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു. ഇതിന്റെ സാന്നിധ്യം കാരണം നോഡ്യൂളിന്റെ അകഭാഗം പിങ്ക് അല്ലെങ്കിൽ ചുവപ്പ് നിറം പ്രാപിക്കുന്നു. ഈ പ്രോട്ടീൻ മനുഷ്യരക്തത്തിലെ ഹീമോഗ്ലോബിനിനോട് സമാനമായി ഓക്സിജനുമായി ബന്ധപ്പെടുന്നു.

സഹജീവിതത്തിന്റെ പ്രാധാന്യം

ഈ സഹജീവിതബന്ധം കൃഷിയിലും പ്രകൃതിദത്ത പരിസ്ഥിതിയിലും അത്യന്തം പ്രാധാന്യമുള്ളതാണ്:

1. രാസവളങ്ങളുടെ ആവശ്യം കുറയ്ക്കുന്നു:

നൈട്രജൻ നിശ്ചലീകരണത്തിലൂടെ കർഷകർക്ക് സിന്തറ്റിക് നൈട്രജൻ വളങ്ങളിൽ നിന്നുള്ള ആശ്രയം കുറയ്ക്കാൻ കഴിയും. ഇതുവഴി ഊർജ്ജം ലാഭിക്കുകയും പരിസ്ഥിതി മലിനീകരണം കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

2. മണ്ണിന്റെ സമൃദ്ധി വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു:

പയർസസ്യം ചത്തുപോകുമ്പോൾ അതിന്റെ വേറുകളിലും നോഡ്യൂളുകളിലും അടങ്ങിയ നൈട്രജൻ മണ്ണിലേക്ക് മടങ്ങി അതിന്റെ ഫലഭൂയിഷ്ഠത വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു. ഇതിലൂടെ അടുത്ത വിളകൾക്കും ഗുണം ലഭിക്കുന്നു.

3. വിള ചക്രത്തിൽ പ്രയോജനകരം:

പയർസസ്യങ്ങൾ സാധാരണയായി വിളചക്രത്തിൽ (crop rotation) ഉൾപ്പെടുത്താറുണ്ട്, ഇതിലൂടെ മണ്ണിൽ സ്വാഭാവികമായി നൈട്രജൻ ചേർക്കുകയും മണ്ണിന്റെ ആരോഗ്യം മെച്ചപ്പെടുത്തുകയും ചെയ്യുന്

The molecular dialogue: From signals to symbiosis

( മോളിക്യുലർ സംഭാഷണം: രാസസിഗ്നലുകളിൽ നിന്ന് സഹജീവിതത്തിലേക്ക് )

പയർസസ്യങ്ങളുടെയും Rhizobium ബാക്ടീരിയകളുടെയും സഹജീവിതം (symbiosis) ഒരു യാദൃശ്ചിക സംഭവമല്ല, മറിച്ച് കൃത്യമായി ക്രമീകരിച്ച രാസസന്ദേശങ്ങളുടെ പരസ്പര സംഭാഷണമാണ്.

1. ഫ്ലാവോനോയിഡ് സിഗ്നലിംഗ് (Flavonoid signaling)

മണ്ണിൽ നൈട്രജൻ കുറവായതായി പയർസസ്യം തിരിച്ചറിയുമ്പോൾ, അതിന്റെ വേർഭാഗം ഫ്ലാവോനോയിഡ് (flavonoid) എന്നറിയപ്പെടുന്ന പ്രത്യേക രാസമൂലകങ്ങൾ മണ്ണിലേക്ക് (rhizosphere) പുറത്തുവിടുന്നു.

ഇവ രാസ സന്ദേശവാഹകരായും (chemical messengers), ബാക്ടീരിയകളെ ആകർഷിക്കുന്ന പദാർത്ഥങ്ങളായും (chemo-attractants) പ്രവർത്തിക്കുന്നു.

ഇതുവഴി അനുയോജ്യമായ Rhizobium ബാക്ടീരിയകളെ സസ്യം ആകർഷിക്കുന്നു.

2. നോഡ് ഫാക്ടർ ഉത്പാദനം (Nod factor production)

Rhizobium ബാക്ടീരിയ ഈ ഫ്ലാവോനോയിഡുകളെ തിരിച്ചറിയുമ്പോൾ, അവയുടെ nodulation genes (nod genes) സജീവമാവുന്നു.

ഇത് മൂലം Nod factors എന്നറിയപ്പെടുന്ന lipo-chitooligosaccharide ഘടകങ്ങൾ നിർമ്മിച്ച് പുറത്തുവിടുന്നു.

വ്യത്യസ്ത Rhizobium വർഗങ്ങൾ ഘടനാപരമായി വ്യത്യസ്തമായ Nod factors ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു, അവയെ തങ്ങളുടെ അനുയോജ്യമായ പയർസസ്യങ്ങൾ മാത്രമേ തിരിച്ചറിയുകയുള്ളൂ.

3. അണുബാധയും നോഡ്യൂൾ രൂപീകരണവും (Infection and nodule development)

സസ്യവേരിന്റെ രോമകോശങ്ങൾ Nod factors തിരിച്ചറിയുമ്പോൾ, കാൽസ്യം അയണുകളെ (calcium ions) ഉൾപ്പെടുത്തി ഒരു സിഗ്നൽ പ്രതിചരണം (signaling cascade) ആരംഭിക്കുന്നു. ഇതിലൂടെ ചില പ്രധാന പ്രതികരണങ്ങൾ ഉണ്ടാകും:

വേര് രോമ വളവ് (Root hair curling): വേര് രോമങ്ങൾ ബാക്ടീരിയ ചുറ്റി വളഞ്ഞ് അവയെ ചെറിയ ഒരു പൂട്ടിനുള്ളിൽ കുടുക്കുന്നു.

ഇൻഫെക്ഷൻ ത്രെഡ് രൂപീകരണം (Infection thread formation): സസ്യകോശഭിത്തി അകത്തേക്ക് വളർന്ന് infection thread എന്ന നാളികാ ഘടന സൃഷ്ടിക്കുന്നു. ഇതിലൂടെ ബാക്ടീരിയ വേറിന്റെ അകത്തെ കോശങ്ങളിലേക്ക് പ്രവേശിക്കുന്നു.

കോർട്ടിക്കൽ കോശവിഭജനം (Cortical cell division): Nod factors വേറിന്റെ അകത്തെ കോശങ്ങളെ വിഭജിക്കാൻ പ്രേരിപ്പിക്കുന്നു. ഇതിലൂടെ നോഡ്യൂളിന്റെ പ്രാരംഭ ഘടന (nodule primordium) രൂപപ്പെടുന്നു.

4. നൈട്രജൻ നിശ്ചലീകരണ ഫാക്ടറി രൂപീകരണം (Formation of the nitrogen-fixing factory)

വളർന്നുവരുന്ന നോഡ്യൂളിനുള്ളിൽ, ബാക്ടീരിയ infection threadൽ നിന്ന് പുറത്തിറങ്ങി സസ്യം നിർമ്മിച്ച മെംബർൻ കൊണ്ട് ചുറ്റപ്പെട്ട symbiosome എന്ന ഘടനയിലാകുന്നു.

അവിടെ ബാക്ടീരിയ bacteroid എന്ന രൂപത്തിലേക്ക് മാറി നൈട്രജൻ നിശ്ചലീകരണം ആരംഭിക്കുന്നു.

നൈട്രജൻ നിശ്ചലീകരണത്തിനുള്ള ആന്തരിക ക്രമീകരണങ്ങൾ (Internal adaptations)

ഓക്സിജൻ പരഡോക്സ് (Oxygen paradox):

നൈട്രജനേസ് (nitrogenase) എന്ന എൻസൈം ഓക്സിജനോട് വളരെ അതിസൂക്ഷ്മമാണ്; അതിന്റെ സാന്നിധ്യത്തിൽ അത് പ്രവർത്തനരഹിതമാകുന്നു.

എന്നാൽ, ബാക്ടീരിയകൾക്ക് ശ്വാസോച്ഛ്വാസത്തിനായി ഓക്സിജൻ ആവശ്യമുണ്ട്, കാരണം നൈട്രജൻ നിശ്ചലീകരണത്തിന് ആവശ്യമായ ATP ഊർജ്ജം അതിൽ നിന്നാണ് ലഭിക്കുന്നത്.

ലെഗ്ഹീമോഗ്ലോബിൻ (Leghemoglobin):

ഈ “ഓക്സിജൻ പരഡോക്സ്” പരിഹരിക്കാൻ, സസ്യം ഇരുമ്പ് അടങ്ങിയ ചുവന്ന പ്രോട്ടീൻ ആയ ലെഗ്ഹീമോഗ്ലോബിൻ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നു.

ഇത് മനുഷ്യരിലെ ഹീമോഗ്ലോബിനിനോട് സമാനമാണ്.

ഇത് ബാക്ടീരിയയ്ക്ക് ആവശ്യമായ അളവിൽ മാത്രം ഓക്സിജൻ എത്തിക്കുകയും, നൈട്രജനേസ് എൻസൈമിനെ സംരക്ഷിക്കുന്നതിനായി സ്വതന്ത്ര ഓക്സിജന്റെ അളവ് കുറച്ച് നിലനിർത്തുകയും ചെയ്യുന്നു.

ഇതുകൊണ്ടാണ് സജീവ നോഡ്യൂളുകൾക്ക് പിങ്ക് അല്ലെങ്കിൽ ചുവപ്പ് നിറം ഉണ്ടാകുന്നത്.

പരിസ്ഥിതി ഘടകങ്ങളുടെ സ്വാധീനം (Environmental influences)

മണ്ണിലെ നൈട്രജൻ നില (Soil nitrogen levels):

മണ്ണിൽ ഇതിനകം ധാരാളം നൈട്രജൻ ഉണ്ടെങ്കിൽ, സസ്യം സഹജീവിതത്തിനാവശ്യമായ സിഗ്നലിംഗ് പ്രക്രിയ അടിച്ചമർത്തും, കാരണം നേരിട്ട് നൈട്രേറ്റ് ആഗിരണം ചെയ്യുന്നത് കൂടുതൽ ഊർജ്ജക്ഷമമാണ്.

മണ്ണിന്റെ അമ്ലതയും ഉപ്പും (Soil acidity and salinity):

ഉയർന്ന ഉപ്പിന്റെയും കുറഞ്ഞ pH യുടെയും സാഹചര്യത്തിൽ വേർവളർച്ച തടസ്സപ്പെടുകയും ബാക്ടീരിയ അണുബാധ പ്രക്രിയ കുറയുകയും ചെയ്യുന്നു.

താപനിലയും ഈർപ്പവും (Temperature and moisture):

ബാക്ടീരിയകളുടെ നിലനിൽപ്പ്, നോഡ്യൂൾ രൂപീകരണം, നൈട്രജനേസ് പ്രവർത്തനം എന്നിവയ്ക്കായി ഉചിതമായ താപനിലയും മണ്ണിലെ ഈർപ്പവും അത്യാവശ്യമാണ്.

മറ്റ് നൈട്രജൻ നിശ്ചലീകരണ സഹജീവിതങ്ങൾ (Other nitrogen-fixing symbioses)

Frankia ബാക്ടീരിയയും ആക്ടിനോറൈസൽ സസ്യങ്ങളും:

Frankia എന്ന നാരാകാര ബാക്ടീരിയ, പയർസസ്യമല്ലാത്ത ചില സസ്യങ്ങളായ അൽഡർ (Alnus), ബോഗ് മിർട്ടിൽ (Myrica), കാസ്വരിന (Casuarina) എന്നിവയുമായി നോഡ്യൂൾ രൂപീകരിക്കുന്നു.

Azollaയും Cyanobacteriaയും:

Azolla എന്ന ജലപുല്ലിൽ Anabaena azollae എന്ന സയനോബാക്ടീരിയ ജീവിക്കുന്നു.

ഈ കൂട്ടുകെട്ട് വയലുകളിൽ പച്ച വളമായി (green manure) ഉപയോഗിക്കുന്നു, പ്രത്യേകിച്ച് നെൽ കൃഷിയിലായി.

ഇത് പ്രകൃതിയിൽ സസ്യ-മൈക്രോബ സഹജീവിതത്തിന്റെ അത്ഭുതകരമായ രാസസംഭാഷണത്തിന്റെ മികച്ച ഉദാഹരണമാണ് — പരസ്പര ആശ്രയത്വത്തിലൂടെ ജീവികൾ എങ്ങനെ പരസ്പരം വളർച്ചയ്ക്കും നിലനിൽപ്പിനും സഹായിക്കുന്നു എന്നതിന്റെ തെളിവ്.