Gombák a pácban – a vöröshangyák és mikrobáikgátolják a növényi kórokozó gombák fejlődését

A növénybetegségek éves szinten több milliárd dolláros gazdasági kárt okoznak az Egyesült Államokban. A probléma ellen főként kémiai növényvédő szereket használnak, azonban a közelmúltban a növények kórokozói elleni küzdelemben ígéretes eredményeket mutatott a hangyák alkalmazása.

A hatást kiváltó mechanizmust még nem sikerült egyértelműen azonosítani. Az egyik lehetséges magyarázat a hangyákhoz kapcsolódó antimikrobiális hatású mikroszervezetek működése lehet. Szabályozott laboratóriumi körülmények között vizsgálták a kis vöröshangyák (Formica polyctena) és a hozzájuk kapcsolódó mikroorganizmusok gazdaságilag fontos növényi patogén gombákkal szemben kifejtett gátló hatását. Az élő hangyák, az összezúzott testükből készült kivonat, illetve a hangyák lemosásából származó vízből készített kivonat egyaránt megakadályozta az alma rothadását (Monilia fructigena) és elősegítette más mikrobák növekedését. Ezen kívül, a vizsgálatok során azt tapasztalták, hogy az összes, vizsgálatban részt vevő vöröshangya mikroorganizmusokat szállított a környezetébe, ahogy átsétáltak egy felületen.

A kutatók izolálták a járkáló hangyák által szállított, illetve a lemosott hangyákról származó legdominánsabb mikroorganizmusokat: négy baktérium kultúrát és egy élesztőt. Ezek közül az I3 nevű törzs (a Pseudomonas suchuanensis és P. entemophila) fajokkal áll a legközelebbi rokonságban), valamint a I1b törzs (a Bacillus myocides fajjal áll a legközelebbi rokonságban) mutatott gátló hatást az alma rothadásával és az alma varasodással (Venturia inaequaluis) szemben, míg az I3 törzs a szürkepenész (Botrytis cinerea) és a fuzáriumos csőpenész (Fusarium graminearum) ellen is hatékonynak bizonyult. Ezek az eredmények arra engednek következtetni, hogy a kis vöröshangyák potenciálisan felhasználhatóak a biológiai védekezés eszközeként bizonyos gazdasági szempontból jelentős növényi patogén szervezet ellen, és a gátló hatás valószínűleg – legalábbis részben – a hozzájuk kötődő mikroorganizmusok által termelt antimikrobiális anyagoknak köszönhető.

Globális szinten a növénytermesztésben évente 20-40%-os veszteséget okoznak a növénybetegségek és a rovarkártevők. Ezekkel szemben leggyakrabban kémiai növényvédőszereket alkalmaznak, amelyek jórészt hatékonyak és használatuk egyszerű, de használatuk nagyon sok negatív következménnyel jár, mint többek között a rezisztencia kialakulása, vagy az emberi egészségre és a biológiai sokféleségre gyakorolt káros hatások. A kémiai növényvédő szerek alternatíváiként a szakemberek fenntartható megoldásokat keresnek és a rovarok, különösen a hangyák felhasználása egyre nagyobb figyelemnek örvend. A hangyákról jó ideje köztudott tény, hogy hatékony védelmet nyújtanak számos rovarkártevővel szemben. A közelmúltban végzett tanulmányok arra is rávilágítottak, hogy a hangyák jelenlétében bizonyos növényi patogén szervezetek előfordulása is csökken. A legutóbbi szakirodalmi adatok szerint 13 hangyafajról igazolódott be, hogy 14 gomba, Oomycetes és baktérium kártevő ellen voltak hatékonyak 12 növényfaj, köztük több mezőgazdasági haszonnövény esetében. Például egyes európai gyümölcsösökben hangyák jelenlétében csökkent a körte varasodás (Venturia pyrina), az almavarasodás (Venturia inaequalis) és az alma rothadás (Monilia fructigena) előfordulása. Ha sikerülne megfejteni a hatást kiváltó mechanizmus működését, az nagyban elősegíthetné a hangyák minél hatékonyabb alkalmazását a növényvédelemben.

Három fő hipotézist állítottak fel a kutatók, amelyek magyarázhatják a hangyák növényi kórokozókat csökkentő hatását:

1. a hangyák táplálékot keresnek és elfogyasztják a gombaspórákat ezzel aktívan eltávolítják azokat a növényekrők;
2. a hangyák elriasztják a rovarokat, amelyek a betegségek vektorai, azaz terjesztői, vagy elősegítik a betegségek megjelenését, így a hangyák csökkentik a patogének előfordulását;
3. a hangyák és a hozzájuk kötődő mikroorganizmusok által termelt vegyületeknek antimikrobiális hatása van.

A harmadik mechanizmus valószínűleg magyarázattal szolgál több, a kutatók által megfigyelt jelenségre. A hangyák esetében a betegségek megelőzésében nagy szerepe van a termelt antimikrobiális vegyületeknek. A hangyák nagy méretű közösségei egymás szoros közelségében élő egyedekből állnak, ami jelentősen növeli a betegségek terjedésének kockázatát. A betegségek leküzdésére a hangyák kémiai és viselkedésbeli védekezési módok egész arzenálját fejlesztették ki. Néhány hangyafaj metapleurális mirigyekkel rendelkezik, amelyek antimikrobiális anyagokat választanak ki. Ezek az anyagok gyakran széles hatásspektrummal rendelkeznek és bizonyos esetekben növényi patogének ellen is hatásosak. Egy közelmúltban készített áttekintő tanulmányban 22, hangyák által előállított kémiai anyag szerepelt, amelyek 20 különböző növényi patogén szervezetet voltak képesek leküzdeni. Ezek a vegyületek kikerülhetnek a hangyák környezetébe, vagy aktívan is kibocsáthatják őket és így nemcsak a hangyákat, hanem a környezetüket is megvédik a kórokozóktól.

A mikrobaellenes anyagokat nemcsak a hangyák, hanem a hangyákon élő mikroorganizmusok is kiválaszthatják. A korábban említett tanulmányban a kutatók 30, hangyákkal szimbiózisban élő mikroorganizmust írtak le, amelyek 10 növényi kórokozó ellen mutattak gátló hatást. A hangyák által kiválasztott anyagokhoz hasonlóan ezek az összetevők is kikerülhetnek passzív módon a hangyák környezetébe, különösen ha a mikroorganizmusok a hangyák testének felszínén találhatóak. Több hangyafaj lábán találtak a kutatók antimikrobiális anyagokat termelő baktériumokat, ezek a növényeken járkáló hangyák lábáról a növényekre jutva gátolhatják a kórokozók fejlődését.

A kutatók terepi tapasztalatai alapján kijelenthető, hogy a kis vöröshangyák jelenléte és az alma esetében a betegségek kisebb számú előfordulása között kapcsolat áll fenn. A kutatók célja az volt, hogy felderítsék ennek okát. Szabályozott laboratóriumi körülmények között végezték a vizsgálatokat, hogy kiderítsék, vajon a vöröshangyák képesek-e fellépni a kórokozók ellen, illetve hogy a potenciális hatást magyarázhatják-e a hangyákkal együtt élő mikroorganizmusok. Szerették volna elkülöníteni a hangyák által és a hangyák testfelületén élő mikroorganizmusok által kiváltott hatásokat, ezért külön vizsgálták az élő hangyák, az összezúzott hangyákból, illetve a lemosott hangyák mosóvizéből készített kivonatok gátló hatását. Ebben a vizsgálatban a Monilia fructigena kórokozóval szemben mutatott gátló hatást tesztelték. A kutatók azt is próbálták kideríteni, hogy hogyan kerülnek a mikroorganizmusok a hangyákról a környezetükbe, illetve a hangyák testfelületén élő leggyakoribb mikroorganizmusok gátló hatását is tesztelték. A kísérletben a Monilia fructigena, illetve az alma varasodás (Venturia inaequalis), a szürkepenész (Botrytis cinerea) és a csőpenész (Fusarium graminearum) kórokozókkal szemben kiváltott hatást figyelték meg. A kutatók fő célja az volt, hogy felderítsék az antimikrobiális hatásért felelős mechanizmust, mely elősegíthetné a hangyák növényvédelmi célú felhasználását a mezőgazdaságban.

A vizsgálatokhoz laboratóriumi körülmények között tartott kórokozókat és hangya kolóniákat használtak.

Az élő hangyák, az összezúzott hangyákból és a mosóvízből készített kivonat vizsgálata egyaránt szignifikáns gátló hatást mutatott a Monilia fructigena kórokozóval szemben.

Az élő hangyákkal végzett vizsgálatban a 21 petricsészében vizsgált mintából 12 esetében egyáltalán nem növekedett a gomba. 2 mintában gyenge növekedést mutatott a gomba a kontrollhoz képest, a maradék 7 minta nem volt vizsgálatra alkalmas, mivel ezekben a kontroll területen nem fejlődött a Monilia fructigena kórokozó.

Az összezúzott hangyákból készített kivonat vizsgálata során a 40 vizsgált minta esetében 32-nél tapasztaltak gátló hatást. 2 mintában túlburjánzott a Monilia fructigena kórokozó, 6 minta pedig nem volt vizsgálatra alkalmas. Ezzel szemben a 40 kontroll mintában sehol nem tapasztaltak gátló hatást, 30 mintában túlburjánzott a kórokozó, 10 minta pedig nem volt értelmezhető, mivel ezekben a táptalajon a Monilia fructigena nem mutatott fejlődést. Valamennyi, a hangyákból készített kivonat mintában egyértelműen látható volt a gombák és baktériumok növekedése, és gyakran néhány, morfológiailag hasonló mikrobát találtak. A 40 mintából 39-ben növekedett egy gomba faj, amelyet szemrevételezés alapján Penicillium fajként azonosítottak a színezete és a konídiumszerkezete alapján.

A hangyák lemosásából származó vízből készült kivonat is szignifikáns módon gátolta a Monilia fructigena fejlődését. 40 mintából 34 esetben látható volt a gátló hatás. 4 mintában túlburjánzott a kórokozó, 2 minta pedig nem volt vizsgálatra alkalmas. A kontroll mintákban egy esetben sem tapasztaltak gátló hatást, 36 esetben túlburjánzott a kórokozó és 4 minta értelmezhetetlen volt. A hangyakivonatokat tartalmazó mintákban minden esetben láthatóan fejlődtek a mikrobák, három fő morfotípust figyeltek meg: egy narancsos-rózsaszínes élesztőt, egy sárgás-rózsaszínes baktériumot és egy fehér baktérium kolóniát.

A szabadföldi megfigyelések szerint az almafákon a Monilia fructigena előfordulása csökkent, amikor a gyümölcsösben jelen voltak a vöröshangyák. Azonban a hatásért felelős mechanizmus egyelőre nem ismert. A kutatók megfigyelései megerősítették a szabadföldi tapasztalatokat, ugyanis a hangyák laboratóriumi kísérletben is szignifikáns módon gátolták a Monilia fructigena növekedését. Ez arra enged következtetni, hogy lehetséges, hogy okozati összefüggés van a hangyák jelenléte és a kórokozók előfordulásának csökkenése között a gyümölcsösben.

A hangyák többféle módon is kifejthetik a gátló hatást. Egyrészt kiválaszthatnak olyan mirigyváladékokat, például hangyasavat, vagy feromon nyomokat hagyhatnak maguk után, amelyek rendelkezhetnek mikroba ellenes tulajdonságokkal. Másrészt, a hangyák testén is megtalálhatóak olyan mikroorganizmusok, amelyek antimikrobiális hatásúak. Az élő hangyákkal végzett 24 órás kísérletben a petricsészékben látható volt a mikrobák növekedése, kolóniák, vagy biofilm formájában, ebből arra következtettek, hogy a hangyákról kerültek ide ezek a mikroorganizmusok. Ezek származhattak a hangyák szervezetén belülről (pl. ürülék), vagy a testük felszínéről (járkálás). Emellett a hangyák mirigyváladékokat is kiválaszthatnak, pl. feromonokat a nyomvonal jelölésére és hangyasavat, miközben az agar táptalajon járkáltak. Következésképpen az itt megfigyelt antimikrobiális hatást okozhatják a mirigyváladékok és az antimikrobiális hatású mikroorganizmusok egyaránt. Azonban a petricsészékben a mikroorganizmusok növekedéséből arra következtettek a kutatók, hogy nem valószínű, hogy csak a mirigyváladékok állnak a gátló hatás mögött. A hangyákkal együtt élő mikroorganizmusok fontos szerepet tölthetnek be a gátló hatás kiváltásában, de ahhoz, hogy ez a gyakorlatban is alkalmazható legyen, ki kell deríteni, hogy hol találhatóak ezek a mikroorganizmusok és hogy hogyan jutnak a környezetbe.

Az összezúzott hangyákból és a mosóvízből származó kivonatok szintén változatos mikroba fejlődést és gátló hatást mutattak. Ebben az esetben a mirigyváladékok és a hangyákon élő mikroorganizmusok gátló hatását nem lehetett teljes mértékben elkülöníteni. Óvatos lemosással kevesebb mirigyváladék került a mosóvízbe, de még így is azt találták, hogy a kevesebb mirigyváladékot tartalmazó kivonat is gátolja a Monilia fructigena növekedését. Ebből arra következtettek, hogy a gátló hatás, legalábbis részben, származhat a hangyák testfelületén élő mikroorganizmusoktól. További vizsgálatok is megerősítették a hangyák testén élő mikroorganizmusok antimikrobiális hatását, ugyanis sikerült izolálni kettő erősen mikrobaellenes hatású baktériumot, egyiket a mosóvízből, a másikat a hangyák lábnyomából. Ez azt jelzi, hogy a hangyák könnyedén átadhatják ezeket a környezetük számára a járkálás során. Ráadásul az izolált baktériumok szorosan kapcsolódnak olyan fajokhoz, amelyekről már bebizonyosodott, hogy hatékonyak lehetnek növényi kórokozókkal szemben. Ezek a megfigyelések arra engednek következtetni, hogy az antimikrobiális hatású mikroorganizmusok a kis vöröshangyák testének felszínén találhatóak és bevethetőek a növényi kórókozók elleni küzdelemben.

A kutatók a korábbi vizsgálatokkal egybehangzóan, találtak antimikrobiális hatású mikroorganizmusokat a kis vöröshangyák lábán. Tehát a hangyák hordozhatnak antimikrobiális hatású baktériumokat a lábukon, ezek hatékonyak lehetnek növényi kórokozókkal szemben és megjelenhetnek a hangyák által bejárt útvonalakon is. Ez a mechanizmus magyarázatot adhat a szabadföldi körülmények között szerzett tapasztalatokra, miszerint a hangyák jelenlétében csökken a növénybetegségek előfordulása.

Ahhoz, hogy minél hatékonyabban lehessen alkalmazni a hangyákat a növényvédelemben, további vizsgálatokat kell végezni annak kiderítésére, hogy más hangyafajokhoz hasonlóan a kis vöröshangyákra általánosságban jellemző, hogy antimikrobiális hatású mikroorganizmusokkal élnek együtt, vagy ez csak bizonyos földrajzi régiókban fordul elő. Ez olyan szempontból lényeges, hogy korlátozhatja azon régiókat, ahonnan hatékony hangyapopulációkhoz lehet jutni. Ugyanígy az is további kutatások tárgyát kell, hogy képezze, hogy ezek az antimikrobiális hatású mikroorganizmusok tenyészthetőek-e oly módon, hogy biopeszticidként közvetlenül a növényeken alkalmazhassuk őket. Persze az élő hangyák alkalmazása előnyösebb volna, hiszen ők a kórokozók mellett a kártevő rovarok elleni védekezésben is jeleskedhetnének multifunkciós növényvédelmi eszközként.

A hangyák használata felvet néhány problémás kérdést is, mivel számos hangyafaj levéltetveket gondoz, amelyek kárt okozhatnak a növényeken, de ez a probléma orvosolható, ha a hangyákat cukorral etetik, vagy biológiai védekezést alkalmaznak a levéltetvek ellen. Mindent összevetve, a hangyák szerepe az agrárökoszisztémában inkább kedvező, mint hátrányos.

Ennek a kutatásnak köszönhetően sikerült a kutatóknak először bemutatni egy lehetséges mechanizmust, amely megmagyarázza a hangyák szabadföldi körülmények közt tapasztalt gombaellenes hatását, és ezzel felhívják a figyelmet a hangyák biológiai védekezés eszközeként való felhasználásának ígéretes lehetőségére a mezőgazdaságban.