( MİKROBİYAL GÜBRELER )
Mikroorganizmalar, herbirinin kendine özgü oluşları, özel kültür ve çevre koşulları altında önceden tahmin edilemeyen yapı ve biyosentetik yetenekleri ile canlı bilimlerinde ve diğer bazı alanlardaki zor problemlerin çözülmesinde öncelik almışlardır. Son elli yıl içerisinde, medikal teknolojinin gelişiminde, insan ve hayvan sağlığında, gıda işlenmesinde, gıdaların güvenli ve kaliteli oluşlarında, genetik mühendisliğinde, çevrenin korunmasında, tarımsal biyoteknolojide ve özellikle tarımsal ve evsel atıkların değerlendirilmesinde mikroorganizmaların başarılı kullanım örneklerini görmek mümkündür. Bütün bu teknolojik gelişmeler, doğrudan kimyasal ve fiziksel mühendislik metotlarını kullanarak sağlanmamıştır. Bu nedenle mikroorganizmalar, uygulamaya dönük ve ekonomik olarak değer bulmuştur.
Mikrobiyal teknolojiler, çeşitli tarımsal ve çevresel problemlerin çözümünde son yıllarda kayda değer başarılar elde etmesine rağmen bilimsel çevrelerde yaygın bir kabul görmemiştir. Çünkü, mikroorganizmaların faydalı etkilerini göstermelerinde bir süreklilik yoktur. Mikroorganizmaların etkin çalışmaları, ancak substratlarını metabolize etmeleri için uygun ve optimal koşullar olduğunda gerçekleşmektedir. Bu koşullardan bazıları yeterli su ve oksijen (mikroorganizmaların zorunlu aerob veya fakültatif anaerob olmalarına bağlı olarak değişebilir), pH ve bulundukları ortamın sıcaklığı gibi faktörlerdir. Günümüzde, yeni teknolojiler sayesinde, çok çeşitli mikrobiyal kültürler ve aşılama materyallerini piyasada ticari olarak bulabilmekteyiz. Teknik kılavuzluk ile mikrobiyal ürünlerin koordineli çalışması sistemin başarılı olmasını sağlayacaktır. Mikroorganizmaların, kimyasal gübreler ve pestisitlerin oluşturduğu problemleri çözmede alternatif olmaları nedeni ile doğal çiftçilik ve organik tarımda kullanılmaları oldukça yaygınlaşmıştır.
Toprak mikrobiyologları ve mikrobiyal ekologlar, yıllardır toprak mikroorganizmalarını faydalı ve zararlı diye sınıflandırmaya çaba harcamışlardır. Bu sınıflandırmada, mikroorganizmaların işlevleri ve toprak kalitesine, bitki gelişimi ve verimine, bitki sağlığına olan etkileri değerlendirilmiştir. Atmosfer azotunu fikseden, organik atık ve kalıntıları parçalayan, pestisitlerin zehirli etkisini yokeden, bitki hastalıklarını ve toprak kökenli patojenleri baskılayan, besin maddesi döngüsünü arttıran ve bitki gelişimini teşvik eden vitamin, hormon ve enzim gibi biyoaktif maddeleri üretenler yararlı mikroorganizmalar sınıfına; bitki hastalıklarına neden olan, toprak kökenli patojenleri teşvik eden, besin maddelerini yarayışsız hale getiren, bitki gelişimi ve sağlığını bozabilecek zehirli (toksik) ve çürütücü madeleri üretenler zararlı mikroorganizmalar sınıfına dahil edilmişlerdir.
Faydalı mikroorganizmaların kullanılması, diğer yönetim uygulamalarının yerini tutmamaktadır. Aksine bitki ekim nöbeti, organik iyileştiricilerin kullanılması, koruyucu sürüm, bitki artıklarının dönüşümü ve zararlı böceklerin biyokontrolu gibi en iyi toprak ve bitki yönetim uygulamalarının optimizasyonuna bir başka boyutla eklenik etki yapmaktadır. Yani doğru şekilde uygulandığında, bu mikroorganizmalar, sayılan bu yönetim uygulamalarının faydalı etkilerini artırmaktadır.
yararlı mikroorganizmalarIN İşlevleri:
Atmosfer azotunu fikse etmek
Organik atıklar ve kalıntıları parçalamak (Dekompozisyon)
Toprak kökenli patojenleri baskılamak
Bitki besin maddelerinin yarayışlılığını arttırmak ve dönüşümlerini sağlamak
Pestisitler de dahil olmak üzere toksik etki yapan bileşiklerin bozunumunu sağlamak
Antibiyotik ve diğer biyoaktif maddeleri üretmek
Bitkilerin alabileceği basit organik molekülleri üretmek
Ağır metal iyonlarını bağlayarak bitkilerce daha az alımını sağlamak
Çözünemeyen besin kaynaklarını çözünür hale getirmek
Polisakkarit üreterek toprak agregasyonunu artırmak
zararlı mikroorganizmalarIN İşlevleri:
Bitki hastalıklarına neden olmak
Toprak kökenli patojenleri teşvik etmek
Bitki besin maddelerini yarayışsız hale getirmek
Tohum çimlenmesini engellemek
Bitki büyüme ve gelişmesini engellemek
Fitotoksik maddeler üretmek
Çizelge-1. Tarımda halihazırda mikrobiyal gübre olarak kullanılmakta olan bakteriler ve daha iyi bir performans için genetik modifikasyon yapılmış yeni bakteriler
Doğal tip bakteriler Uygulandıkları bitkiler Kullanım amacı
Anabaena-Azolla Azospirillum brasilense and A. lipoferum Çeltik Tahıllar Biyogübre Biyogübre
Bradyrhizobium japonicum Rhizobium spp. Yemlik ve yemeklik baklagil bitkiler Biyogübre Biyogübre
Frankia spp. Baklagil olmayan ağaçlar (Alnus) Biyogübre
Bacillus subtilis and B. thuringiensis Psuedomonas fluorescens Pseudomonas spp. Değişik bitkiler Biopestisit Biopestisit
Islah edilmiş bakteriler Değiştirilen özellikler Islahın amacı
Agrobacterium radiobacter Transfer genlerin yok edilmesi crown gall’in biyolojik kontrolunda emniyetli kullanım
Clavibacter spp. Bacillus thuringiensis’ten elde edilmiş endotoxin ilavesi Böceklerin bitkiye zararlarının biyolojik kontrolu
Bradyrhizobium japonicum "nif" gen kopyasının ilavesi Azot fiksasyonunu arttırmak
Pseudomonas syringae " ice nucleation" geninin yok edilmesi Bitkilerde don zararını kontrol altına almak
Rhizobium meliloti "nif" ve/veya "dct" genlerinin kopyasının ilavesi Azot fiksasyonunu arttırmak
Toprak mikroorganizmaları, toprakta meydana gelen pek çok kimyasal değişimin içinde aktif rol almaktadırlar. Özel olarak ta bitki gelişmesi için gerekli olan örneğin azot ve karbon besin elementlerinin döngüsünde görev aldıkları için toprak verimliliğinin önemli unsurlarıdırlar. Toprak mikroorganizmaları, herhangi bir yolla toprağa dahil olan organik maddelerin parçalanmasından ve dolayısı ile besin elementlerinin döngüsünden sorumludurlar. Bazıları örneğin, mikoriza mantarları bazı mineral besin maddelerinin (ör.fosfor) yarayışlılığını arttırmaktadırlar. Bazıları, toprakta mevcut besin maddelerinin miktarını arttırmaktadır. Mesela, azot fikseden bakteriler, toprak havasında gaz halinde bulunan azotu, bitkilerin gelişmesi için bitki köklerinin kullanabilecekleri çözünebilir azotlu bileşikler haline dönüştürürler. Toprak verimliliğini arttıran ve bitki gelişimine katkıda bulunan bu tip mikroorganizmalar, "biyogübreler" olarak adlandırılıp tarımda mikrobiyal aşı materyallerinin hazırlanmasında kullanılmaktadırlar. Benzer şekilde diğer bazı mikroorganizmalar da bitki sağlığını arttıran ve yüksek verim alınmasına katkı sağlayan maddeleri (ör. Vitaminler ve bitki hormonları gibi) üretmektedirler. Bu mikroorganizmalar, "fitostimulatorlar" olarak adlandırılmakta ve ürün verimini arttırmak için mikrobiyal aşı olarak üretimleri üzerine çalışmalar yürütülmektedir. Diğer bir grup mikroorganizma, bitkinin doğal savunma mekanizmasını teşvik edecek bileşikleri üreterek bitkinin patojenlere karşı direncini geliştirmektedir. Bu mikroorganizmalar da "biyopestisitler" olarak adlandırılmakta ve biyolojik kontrolu sağlamaktadırlar.
Rizosfer: Bitki kökleri ve toprak arasında karşılıklı etkilerin (interaksiyon) yoğun olduğu yer.
Bilindiği gibi bitkilerin kökleri, mineral besin maddelerini almaktadırlar. Ayrıca kendilerini çevreleyen toprağa çok çeşitli organik bileşikler salma özellikleri de mevcuttur. Dolayısı ile "rizosfer" dediğimiz ve bitki kökü ile yakın temasta olan toprak kısmında mikrobiyal aktivite de oldukça yoğundur. Bu nedenle bitki köklerinin yüzeyinde ve rizosfer bölgesinde çok sayıda mikroorganizma bulunmasına karşılık bitki kökleri bulunmayan bir toprakta bu sayı oldukça düşmektedir.
Rizosfer, içerisinde yaşayan mikroorganizmalar ile bitkilerin gelişme koşullarında etkili olan çok sayıda intreaksiyonların gerçekleştiği önemli bir toprak habitatıdır. Sonuç olarak, faydalı mikroorganizmaların mikrobiyal aşı olarak, ürün verimi ve ürün kalitesinde iyileştirme sağlaması için verilecekleri toprak habitatı rizosfer olmaktadır.
Sürdürülebilir tarım için mikrobiyal aşılar:
Günümüzün modern tarım uygulamaları olarak yoğun mineral gübre ve kimyasal pestisit kullanımı sonucunda ortaya olumsuzluklar çıkmıştır. Bunlardan özellikle azotlu gübrelerin fazla kullanımı ile toprak profilinden yıkanan nitratın yeraltı sularını kirlettiği, belli toprak koşulları altında uygulanan azotlu gübrelerin denitrifikasyonu sonucunda azotlu gazların topraktan atmosfere geçtiği ve bu gazlardan bazılarının (örneğin, nitroz oksit) sera etkisi yarattığı ve/veya ozon tabakasını değiştirdiği ortaya çıkmıştır. Benzer şekilde kimyasal pestisitlerin besin zincirinde ve çevrede muhtemelen varlığı veya artığının bulunduğu görüşü değer kazanmaya başlamıştır. Bu gelişmeler doğrultusunda mikrobiyal aşılar gözde olmaya başlamışlardır.
Havanın serbest azotunun biyolojik yolla tespiti (Fiksasyon)
Havanın hacim esasına göre % 79,08′ini azot teşkil eder. Bir dekar arazi üzerindeki havada yaklaşık olarak 9 bin ton azot gazı bulunur. Bitkiler, hayvanlar ve mikroorganizmaların büyük bir kısmı element halindeki bu azottan yararlanamazlar. Bunların yararlanabilmesi için gaz halindeki azotun diğer elementlerle bileşikler haline dönüşmesi gerekmektedir. Bu da az miktarda elektriksel olaylarla ve çok daha fazla miktarda ise bazı toprak mikroorganizmaları vasıtası ile azotun biyolojik yolla tespiti yoluyla sağlanmaktadır. Biyolojik azot fiksasyonu (BAF), iki grup mikroorganizma tarafından gerçekleştirilmektedir. Birinci gruba girenler, toprakta serbest yaşayarak havanın azotunu tespit ederler. İkinci grupta yer alanlar ise, bir bitki ile ortak yaşayarak azot tespit ederler. Bunlardan Rhizobium bakterileri baklagil bitkilerin köklerinde simbiyotik yaşayarak azot tespit ederler. Aktinomisetler ise orman ağaçlarından kızılağaç, ılgın, yabani iğde gibi ağaç ve çalıların köklerinde nodozite meydana getirerek azot tespitini gerçekleştirirler.
A) Simbiyotik Olmayan Azot Tespiti
Bu yolla azot tespit eden mikroorganizmalar, diğer bir canlı organizmanın yardımına gereksinim duymadan toprakta çoğalırlar. Kendileri için gerekli enerjiyi, karbonu ve diğer elementleri topraktan alırlar. Toprakta kendisi için uygun olan azot bileşiklerini bulamadığı takdirde havanın azotunu kullanırlar.
Simbiyotik olmadan azot tespit eden mikroorganizmalar aşağıdaki gibi sınıflandırılmıştır :
Bakteriler
Aerobik olanlar:
Azotobacter
Anaerobik olanlar:
Fotosentetik Olmayanlar:
Clostridium
Desulfovibrio
Fotosentetik Olanlar:
Rhodospirillum
Chromatium
Algler
Nostoc, Calothrix (mavi-yeşil alg)
Bu organizmaların genel özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir:
Azotobacter
Aerobik bakterilerdir. Bazen çubuk bazen de yuvarlak şekilde görülürler. Ekseriya hareketlidirler. Endospor ihtiva etmezler. Fakat bazı türler, kalın duvarlı mikrosist oluştururlar. Hücreler genellikle gram negatiftir. Uygun karbonhidrat veya diğer enerji kaynakları bulunduğu takdirde aerobik şartlarda atmosferik azotu tespit etme gücüne sahiptirler. Bir gram şekerin parçalanmasına karşılık 10-20 mg azot tespit ederler. Ilıman iklim kuşağında 1 gram topraktaki Azotobacter sayısı 200 kadardır. Optimum sıcaklık isteği 30-35°C; pH isteği 7-8 arasındadır. Bu bakterilerden A.chroococcum en önemlisidir. Yıllık azot tespit düzeyleri 2-3 kg N da-1 ‘dır.
Clostridium
Anaerobik bakterilerdir. Spor meydana getiren, gram pozitif, çubuk şeklinde bakterilerdir. Havanın molekül halindeki azotunu tespit edebilmek için humus maddeleri, pektin bileşikleri ve selüloz gibi maddeleri karbon kaynağı olarak kullanırlar. Azot tespiti için optimum sıcaklık isteği 25°C ‘dir. C.butyricum, 1 gram karbonhidratın parçalanmasına karşılık 27 mg azot tespit etmektedir. Yıllık azot tespit düzeyleri 0,5-3 kg N da-1 ‘dır.
Diğer Bakteriler
Fotosentetik bakteriler, azot tespit etmek, topraktaki bazı toksik maddeleri absorbe ederek bitki için zararsız hale getirmek, bitkide ürün artışı sağlayan bir takım metabolik maddeler ifraz etmek sureti ile toprak verimliliğini arttırmada önemli derecede etkili olmaktadırlar.
Aerob olarak azot bağlama yeteneğinde olan diğer heterotrof bakteri grupları Pseudomanas, Bacillus, Klebsiella, Mycobacterium ve Spirillum’ dur.
Azot bağlama yeteneğinde olan bazı fakültatif anaerob bakteriler de vardır. Bacillus, Klebsiella, Pseudomanas ve Arthrobacter bunlara örneklerdir. Bunların azot bağlama güçleri yani tespitleri fazla değildir.
Mavi-Yeşil Algler
Azot tespit eden mavi-yeşil algler, ışık enerjisini kullanarak fotosentetik mekanizma ile enerji sağlayan ve bunun bir kısmını azot tespitinde kullanan organizmalardır. Bu organizmalar, toprak ekosistemindeki yüksek bitkilere benzer fotosentez yolu ile oksijen üreten ve karbondioksit fiksasyonu yapan ve azot fikse eden tek organizmadır. Alglerin azot bağladığı ilk kez Frank (1889) tarafından ileri sürülmüş ve 1928′de Drewes saf kültürde mavi-yeşil alglerden Nostoc ve Anabaena türlerinin azot bağladığını göstermiştir.
Mavi-yeşil alglerin özellikle çeltik tarlalarında önemli rolleri vardır. Yağmurlu dönemlerde nemli pirinç tarlalarında azot miktarının 15-50 kg N ha-1 seviyeleri arasında değiştiği belirtilmektedir. Ayrıca arid bölgelerde ve çöl alanlarında gelişen alg türlerinin yılda bağladıkları atmosfer azotu 3 kg N ha-1 seviyesindedir. Mavi-yeşil algler, fotosentetik olmaları nedeni ile fotosentez koşullarına bağımlı olmaktadırlar. Kış koşullarında sıcaklık ve fotosentez koşulları yeterli olmadığından azot fiksasyonu çok önemsiz düzeyde gerçekleşmektedir. Bahar aylarında fiksasyonun ayda 8 kg N ha-1 seviyesine ulaştığı belirlenmiştir.
B) Simbiyotik Azot Tespiti
Simbiyotik yol ile azot fikse eden organizmaları iki büyük grupta toplayabiliriz. Bunlardan birincisini baklagil bitkileri ile simbiyoz oluşturan Rhizobium bakterileri, ikinci grubunu ise baklagil dışındaki ağaç türünden yüksek bitkiler ile simbiyoz oluşturan aktinomisetler oluşturmaktadır.
B1) Rhizobium-Baklagil Simbiyozu
Baklagil (Leguminosaea) familyasının türleri çok yaygın olup, kültüre alınmış 200 civarında türü bulunmaktadır. Yalnızca insan besini olarak değil, hayvan yemi, kereste, dokuma ve diğer çeşitli ürünleri veren bitkileri içerirler. Bu familyadaki bitki türleri, köklerini enfekte ederek yerleşen ve oluşturduğu kök yumruları (nodül) içinde azot fiksasyonu yapan Rhizobium bakterileri ile simbiyoz oluştururlar. Bir baklagil bitkisi bu yolla çoğunluk bir hektar toprağa 200-300 kg bitkiye yarayışlı azot sağlar. Bazen bu miktar çok daha fazla olabilir. Ancak bu işlev, toprak azotça doğal olarak fakir ve simbiyozu oluşturacak üyeler ortamda birlikte bulunabiliyorlarsa gerçekleşir. Gerçekte baklagiller, azot gereksinimlerini iki yolla sağlamaktadır:
Toprak azotunun özümlemesi
Nitratların absorbsiyonu kökler yolu ile olur.
Atmosfer azotunun fiksasyonu
Atmosfer azotu toprak havasından nodüllere geçer ve burada nitrogenaz enzimi tarafından indirgenerek amonyağa çevrilir. Bu amonyak daha sonra amino asit ve proteinleri oluşturmak üzere bitki içindeki madde dönüşümlerine katılır. Şayet bitkiler nitrat ve moleküler azot (N2) kaynaklarına aynı zamanda sahipseler, öncelikle nitrat kullanıldığından azot fiksasyon oranı düşer.
Rhizobium bakterisi, spor oluşturmayan bir türdür. Kültür topraklarında genellikle bulunmakla beraber topraktaki yaşam gücü pek bilinemez. Baklagil-nodül bakterisi işbirliğinin uygun ve sağlıklı gerçekleşmesi simbiyotik azot fiksasyonu çalışmalarının en önemli konusudur. Bu sistemde bakteri havadan bağlamış olduğu azotu bitki kullanımına verirken, kendisi de bitkiden karbonhidrat ve diğer bazı gelişim faktörlerini sağlamaktadır. Simbiyotik sistem yolu ile dünya azot kazanımının 80 milyon ton olduğu, bunun 35 milyon tonunun yemeklik baklagiller ve 45 milyon tonunun çayır, mera ve orman sistemindeki baklagiller ile sağlandığı hesaplanmaktadır. Buna rağmen simbiyotik sistemin her zaman sağlıklı işlediği ve gerekli azot kazancını sağladığı söylenemez. Bunun başlıca iki nedeni olduğu söylenebilir.
Topraklarda yaygınlık gösteren ve azot fikse etme güçleri iyi olan bakterilerin sayısal dağılımı yeterli olmayabilir, diğer bir deyimle, yaygın poulasyonların büyük kısmı azot fikse etme bakımından etkisiz olabilir.
2. Genellikle yeni kültüre alınan bir alanda veya ilk kez yeni bir baklagil çeşidi ekilen alanlarda bitki türünü enfekte etme veya simbiyotik azot fiksasyonunu gerçekleştirecek uyumlu bakteri türü bulunmayabilir. Her iki durumda da baklagil bitkilerinin atmosfer azotundan yeterince yararlanabilmeleri mümkün olmayacaktır. Baklagil bitkilerinde-tarım alanlarında- gelişmenin ve biyolojik azot fiksasyonunun garanti altına alınabilmesi için, doğal ortamlardan izole edilmiş bakteri soylarının mikrobiyal aşı olarak üretilmesi ve tohum aşılaması yolu ile toprağa verilmesi gerekmektedir.
Simbiyotik sistem yolu ile fikse edilen azot miktarı, baklagil türü ile ilgilidir. İnsan
beslenmesinde kullanılan daneli baklagiller daha az azot bağladıkları gibi azotun büyük bir kısmı ürünle birlikte kaldırılır. Buna karşılık çayır baklagilleri hem kök salgıları, hem de organik kalıntıları ile ortama daha fazla azot bırakırken fiksasyon güçlerinin de daha fazla olduğu dikkat çekicidir.
Çizelge-2. Çeşitli baklagil türlerinin azot fiksasyon düzeyleri
Baklagil bitkileri kg ha-1 yıl-1
Bezelye 52-77
Fasulye 97
Soya 64-121
Fiğ 100-170
Yonca 150-400
Nodül oluşum mekanizması
Baklagil bitkilerinde nodül oluşumu, bitki ile Rhizobium bakterileri arasında karşılıklı etkileşimler sonucu gerçekleşir. Rhizobium bakterileri, bitki kök sistemindeki nodülleri üç kademede oluştururlar:
1. Enfeksiyon öncesi dönem: Bu dönemde bitki ile bakteri arasında bazı interaksiyonlar gerçekleşir. Önce bitki kökünden triptofan maddesi salgılanır. Bu madde rizosferde bakteri çoğalmasını uyarırken bakterler de indol asetik asit (IAA) üretirler. Bu bir kök gelişim hormonu olup bitki kökünün hızlı gelişmesine ve aynı zamanda kılcal köklerin özel bir şekil almasına neden olur. Daha sonra bakteri tarafından kök hücrelerini esnek duruma getiren poligalaktorunaz (PG) enzimi salgılanır. Her iki metabolit kök hücrelerini bakterinin girebileceği esnek bir yapıya çevirir.
2. Enfeksiyon şeridinin oluşması: Bakterinin kök hücrelerine girmesi ile birlikte kılcal köklerde korteks hücrelerine ulaşan bir borucuk oluşur. Buna enfeksiyon şeridi veya iplikçiği adı verilmektedir. Bu oluşumun görevi kök meristem hücrelerindeki bakterileri korteks hücrelere taşımaktır. Bu sırada bakteriler hızla çoğalır ve aynı zamanda konukçu bitki hücreleri de çoğalmaya devam ederek nodül oluşumunu başlatırlar.
3. Nodül oluşumu: Enfeksiyon şeridi, korteks bölgesinde tetraploid (genel kromozom sayısının iki kat fazla olduğu hücre) hücreye ulaşır. Bu hücre ve etrafındaki komşu hücreler hızlı bir bölünme ile çoğalır ve kök yapısı şekil değiştirir. Enfeksiyon şeridinin yarılması ile bakteriler hücre sitoplazması içinde dağılırlar. Çoğalma olayından sonra bakteriler karakteristik çubuk veya kısa çubuk şekillerini kaybederek iri yapılı X, Y veya düzensiz pleoformik nitelik kazanırlar. Rhizobium bakterilerinin bu formuna bakteroid adı verilir. Bakteroidler nodül içinde bölünmeye uğramazlar. Yapay besin ortamlarında geliştirilememişlerdir. Azot fiksasyonu yalnızca bakteroid formlarda gerçekleşir.
Baklagil bitkisinin kökleri üzerindeki büyük ve ana kök kısmına yakın oluşan nodüller çoğunlukla azot fiksasyonu bakımından etkin bir bakteri soyunun varlığını gösterir. Aksine olarak küçük, beyaz renkli nodül oluşumu fiksasyon yeteneği zayıf veya etkisiz bakterilerin nodül oluşturduğunu tanımlar. Aşağıdaki çizelgede nodül oluşumu ile azot fiksasyonu arasındaki pratik ilişkiler tanımlanmıştır.
Çizelge-3. Etkili ve etkisiz nodülasyonun özellikleri
Nodül özellikleri Etkili nodüller Etkisiz nodüller
Büyüklük Büyük Küçük
Renk Pembe Renksiz
Sayı Az Çok
N fiksasyonu Etkili Etkisiz
Bakteroid Var Yok
Azot fiksasyonu yapabilen etkili nodüllerin rengi baklagillere has olan ve demir içeren bir hemoglobin maddesinden kaynaklanmaktadır. Buna leghemoglobin adı verilmektedir. Nodüllerin sayısı ve büyüklüğü, etkili olma ve aktif olarak azot fiksasyonu yapabilme bakımından önemlidir. Oluşan nodüller içindeki bakteroidler, azot fiksasyonunda çalışan nitrogenaz enzimini üretirler. Bu enzim atmosfer azotunun biyolojik indirgenmesini kataliz eder.
N2+8H++8e–enzim®2NH3+H2 (1)
N2+6H++6e–enzim®2NH3 (2)
H++2e-® H2 (3)
Optimum koşullar altında indirgenen her bir molekül azot için bir molekül hidrojen sebest bırakılır. Nitrogenaz enzimi, azot ve hidrojen dışındaki bazı diğer substratları da etkileme gücündedir. Örneğin asetilen’in etilen gazına indirgenmesi yine nitrogenaz aktivitesi ile gerçekleşir. Bu nedenle belirli bir süre içinde indirgenen asetilen miktarı, nitrogenaz aktivitesinin veya diğer bir deyimle azot fiksasyon yeteneğinin ölçüsü olarak kullanılabilir. Bu yöntem ARA (asetilen redüksiyon aktivitesi) olarak tanımlanmaktadır. Ancak bu ölçüt nitrogenaz yolu ile azotun redüksiyon aktivitesinin çok kesin bir ölçütü değildir.
C2H2(asetilen)+2H++2e–nitrogenaz® C2H4(etilen)
Etkili ırkların-suşların (strain) seçimi
Azot tespiti yönünden etkili suşları seçmek için muhtelif bölgelerde yetiştirilen iyi gelişmiş, koyu yeşil renkli baklagil bitkilerin köklerindeki nodüllerde bulunan bakteriler, laboratuvarda steril koşullarda izole edilir. İzole edilen bakteriler, özel ortamlarda üretilir. Daha sonra üretilen bu bakterilerle baklagil tohumları aşılanır. Aşılanmış tohumlar, tüp veya kavanozlar içerisindeki agarlı besi yerine veya kum kültürüne ekilir. Çimlenen bu bitkiler serada veya büyütme odalarında yetiştirilir. Belirli süre sonunda bu bitkilerin köklerindeki nodüller ve bitkinin gelişmesi incelenir. Bitkinin kuru ağırlığı ve azot muhtevası tesbit edilir. Bu şartlarda en fazla azot tespit ederek en iyi bitki gelişimini sağlayan suşlar, etkili olarak seçilir. Ancak, gelişme faktörlerinin optimumda bulunduğu ve Rhizobium bakterilerinin üremesine engel olan toksik maddeleri meydan getirecek olan toprak ve rizosfer mikroorganizmalarının mevcut olmadığı sera şkoullarında etkili olan bir suş, tarla şartlarında etkili olmayabilir. Bu nedenle bu suşların tarla koşullarında da denenmesi gereklidir. Sıcaklık, pH, bitki besin maddeleri gibi çevre koşulları ve bitki çeşitlerinin bakteri suşlarına etkileri farklıdır. Baklagil tohumlarını aşılamada kullanılacak suşların, farklı çevre şartalrındaki rizosferde çoğalma ve hayatını devam ettirme gücüne sahip olmaları, topraktaki diğer organizmalarla ve özellikle az etkili Rhizobium bakterileri ile rekabet etme yeteneğinde olmaları gerekmektedir. Böylece tarla şartlarında da etkili oldukları tespit edilerek seçilen bakteri suşları, aşılama materyali hazırlamada kullanılmak üzere üretilir.
Rhizobium bakterileri ile aşılama ve yararları
Aşılama, genç bitkide nodül oluşum şansını arttırmak amacı ile tohum sathını ekimden önce o bitkiye özgü, etkili, azot tespit etme yeteneği yüksek yeter sayıda nodül bakterisi ile bulaştırmaktır.
İlkel bir şekilde yapılan aşılama, yetiştirilecek baklagil çeşidinin iyi geliştiği bir tarladan alınan toprağın baklagil yetiştirilecek yeni sahaya dağıtılması yoluyla olmaktadır. Bu yolla bir dekar alanın aşılanması için 400 kg toprağa ihtiyaç olmaktadır. Bu ise hem pahalıya mal olmakta hem de bu yolla yabancı ot tohumları bir tarladan diğerine taşınmış olmaktadır. Bu nedenle, günümüz koşullarında tespit edilen en iyi aşılama metodu, tohumun ekimden önce etkili bakteri kültürü ile bulaştırılması yolu ile olmaktadır.
Aşılamanın yararları:
Aşılama genç bitkinin azotsuz kalmasını önler,
Tohumun çimlenmesinden sonraki birkaç gün içinde tohumdaki azot genç bitki tarafından kullanılarak tüketilir. Eğer tohum, etkili bakteri suşu ile aşılanarak ekilmişse, bitkinin kökünde nodül oluşur ve fikse edilen azotu kullanan genç bitki azot eksikliği göstermeden gelişmesine devam eder.
Aşılama toprağın azot kapsamını arttırır,
Baklagil tohumlarının aşılanması sonunda meydana gelen nodüller vasıtası ile tespit edilen azot nedeni ile toprağın azot kazancı artar.
Aşılama mahsul verimini arttırır,
Bu artış, bitkiler için yarayışlı azot miktarı düşük olan fakat diğer bitki besin maddelerini yeterli miktarda ihtiva eden topraklarda yetiştirilen baklagil bitkilerinde bariz bir şekilde görülür. Genellikle orta verimlilikteki bir toprakta yetiştirilen baklagil bitkilerinde aşılama sureti ile verim artışının % 15-25 arasında olduğu tespit edilmiştir.
Aşılama bitkinin kalitesini yükseltir,
Aşılama, baklagil bitkisinin yeşil aksamında ve tohumunda protein miktarını önemli derecede arttırarak bitkinin besin değerinin yükselmesini temineder. Tohumun çimlenme gücünü arttırır. Mikrobiyolojik azot tespiti ile tohumda oluşan azotlu bileşikler, inorganik formda alınmış azotla oluşan azotlu bileşiklere nazaran depolama bakımından daha uygun vasıf gösterir. Aşılanmış baklagil bitkiler bilhassa A ve D vitaminleri bakımından zengin bir durum arzeder.
Aşılama, protein içeriği bakımından zengin bir yeşil gübrenin meydana gelmesinde rol oynar,
Yeşil gübre toprakta organik maddenin devamına yardım eder. Organik madde ise toprağın fiziksel yapısını, su tutma kapasitesini ve havalanmasını düzeltmesi, mikrobiyal aktiviteyi arttırması, bitki besin maddelerini absorbe etmesi vs. gibi daha birçok yönlerden toprak verimliliğine yardımcı olur. Aşılama sureti ile elde edilen, azot kapsamı yüksek yeşil gübre, bu etkileri ile toprak verimliliğinin artmasında ve artan verimliliğin devam etmesinde yarar sağlar.
Aşılama yapılması gereken haller:
Herhangi bir sahaya ekilecek baklagil çeşidi, o sahada daha önceden ekilmemiş ise büyük bir ihtimalle o toprakta ekilecek baklagil çeşidinde nodül yapacak etkili bakteri bulunmamaktadır. Bu nedenle yapılacak aşılama, nodül oluşumuna olanak sağlayacağı için ürünün kalitesinin iyileşmesi ve miktarının artmasında etkili olmaktadır.
Tarladaki herhangi bir baklagil bitkisinin köklerinde az miktarda ve seyrek olarak nodül görülüyorsa, bu durum o tarlada etkili bakterinin yeter derecede bulunmadığı ve eğer nodüller küçük ve bütün kök sistemi üzerinde dağılmış durumda ise bu da nodülasyonun zayıf suşlar tarafından meydana getirilmiş olduğunu gösterir. Bu durumda tohumun etkili bakteri suşu ile aşılanması gereklidir.
Bazı durumlar topraktaki Rhizobium’un yok olmasına neden olurlar. Örneğin, asitlik, kuraklık, fazla nem ve havalanmanın iyi olmaması veya su altında kalma, gibi nedenler yanında kalsiyum, potasyum, fosfor, molibden ve diğer gerekli bitki besin maddelerinin yokluğu gibi faktörlerden herhangi birinin veya birkaçının kısa bir süre için dahi yokluğu veya normal sınırlar içinde bulunmaması zararlı sonuçlar vermektedir. Bu durumda nodül oluşumunu engelleyici fakörün düzeltilerek toprak normal hale getirildikten sonra aşılamanın yapılması yararlı olmaktadır.
Aşılama yapılması gerekmeyen haller:
Belirli bir baklagil çeşidi aynı yerde birkaç yıl veya daha uzun yıllardır üst üste ekiliyorsa ve köklerinde yeterli nodül meydana geliyorsa böyle yerlerde aşılama yapılması gerekmeyebilir. Buna rağmen aşılamanın ucuz, fazla iş gerektirmeyen ve hiç bir zaman zararlı olmayan bir işlem olması nedeni ile tereddütlü hallerde yapılması genellikle çiftçinin yararına olmaktadır.
B2) Baklagil olmayan bitkilerle aktinomiset simbiyozu
Baklagillerin dışında, 13 diğer cins ağaç veya çalı türünden bitkilerin kökleri N bağlayan mikroorganizmalarla simbiyoz oluşturma yeteneğindedir. En tanınmış cinslerden Alnus (Kızılağaç, Akçaağaç), Eleagnus, Myrica gale sayılabilir.
Orman ekosistemindeki bir çok bitkinin azot ekonomisi bu yol ile yeterli bir şekilde düzenlenmektedir. Örneğin, Alnus crispa yılda 61,5 kg N ha-1 sağlayabilmektedir. Alnus türünün oluşturduğu nodüller, yaklaşık 5 cm büyüklükte olabilmektedir. Benzer olarak tropik türlerden olan Casuarina timber yılda 58,5 kg N ha-1 sağlayabilmektedir. Detaylı sitolojik incelemeler nodül içinde bulunan ortakçının aktinomiset olduğunu göstermektedir.
Bazı gymnosperm (kabuksuz tohumla, çam türünden bitkiler) familyasından bitkiler de, mavi-yeşil alglerle (muhtemelen Anabaena veya Nostoc ) bir tür ortaklık oluştururlar. Bu şekilde fikse edilen azot, genel dolanım içinde çok önemli değilse de özel ekosistemlerin azot ekonomisi için önemlidir.
B3) Likenler
"Mantar+alg" şeklindeki simbiyozdur. Yaklaşık tüm likenlerin % 8′I mavi-yeşil algleri kapsarlar. Likenlerin azot fiksasyonunda özel bir önemi vardır. Çıplak kayalık yüzeylerin vejetasyon örtüsüne kavuşması, tropik ve subtropiklerdeki yağmur ormanlarının N ekonomileri için önemli rol oynarlar.
MİKORİZALAR
Mikoriza terimi aktif bitki gelişimi evresinde köklerin korteks dokusunu kolonize eden mantar ile bitkiler arasında oluşan işbirliği veya simbiyozu ifade etmektedir. Bu işbirliği bitkilerin üretimi olan karbonun mantara ve mantarın almış olduğu besin elementlerinin bitkiye hareketi ile karakterize edilmektedir.
Kelime olarak mantar-kök anlamına gelen mikoriza (mycorrhiza) terimi, ilk olarak 1885 yılında A.B. Frank isimli bir Alman orman patologu tarafından mantar-ağaç ortaklığını tanımlamada kullanılmıştır. O tarihten sonra yeryüzünde çok sayıda bitkinin mantarlarla simbiyotik bir ortaklık oluşturdukları öğrenilmiştir. Herhangi bir cinse bağlı bitki türlerinin % 95′inin karakteristik olarak mikoriza oluşturdukları tahmin edilmektedir. Bitkiler arasında mikorizal durum bir istisna değil bir kuraldır.
Bitkilerin mikorizal simbiyozlardan sağladığı faydalar agronomik yönden büyüme ve verim artışı veya ekolojik olarak uyumun iyileştirilmesidir. Mikorizal mantarlar, hem kök içerisinde hem de toprakta genellikle hızla çoğalırlar. Toprak kökenli veya ekstramatrikal hifler, bitki besin elementlerini toprak çözeltisinden alarak köklere taşırlar. Bu mekanizma ile mikorizalar, bitkinin etkili absorbsiyon yüzey alanını artırırlar. Bitki besin elementlerince fakir veya yeterli nem bulunmayan topraklarda, ekstramatrikal hiflerle besin maddelerinin alınması daha iyi bir bitki gelişimi ve çoğalmayı sağlayabilir. Sonuç olarak, mikorizal bitkiler, mikorizal olmayan bitkilere göre, çevresel streslere genellikle daha dayanıklıdırlar.
Mikorizal ortaklıklar, yapı ve işlev olarak çok geniş bir yelpaze oluştururlar.
MİKORİZA TİPLERİ
Ektomikorizalar
Ektomikorizaların (EM) teşhisinde en belirgin özellikleri, kök korteks hücreleri arasında bulunan hiflerinin, orman biyolojisinin babası sayılan Robert Hartig’in adından dolayı "Hartig net" diye adlandırılan bir ağ oluşturmalarıdır. Çok sayıda EM aynı zamanda kök emici tüylerini (genellikle ince besleyici kökler) tamamen kaplayabilen bir kın (mantle) veya manto şeklinde gelişen mantari dokuya sahiptir. Kökleri kaplayan bu kın veya örtünün kalınlığı, rengi ve bünyesi (texture) özel bitki - mantar kombinasyonlarına bağlıdır. Mantar dokusunun oluşturduğu kın, emici köklerin yüzey alanını artırır ve çoğu kez ince köklerin morfolojisini etkileyerek, kök çatallaşmasına ve gruplanmasına neden olur. Hifsel uzantılar, kın ile bağlantılı olup toprağın içine yayılırlar. Bu hifsel uzantılar, sıkça agregatlaşarak, çıplak gözle görülebilecek kök benzeri yapılar (rhizomorphs) oluştururlar. Rhizomorfların iç kısımları besin elementlerinin ve suyun uzak mesafelere taşınabilmesi için özel olarak tüp benzeri yapılara dönüşebilmektedir.
Ektomikorizalar, çalı tiplerinden orman ağaçlarına kadar pek çok odunsu bitkide tespit edilmiştir. Konukçu bitkilerin büyük bir çoğunluğu, Pinaceae, Fagaceae, Betulaceae ve Myrtaceae familyalarına dahildir. Ektomikoriza oluşturdukları bilinen, 4000′nin üzerinde mantar türü esas olarak Basidiomycotina sınıfına ve çok az bir kısmı da Ascomycotina sınıfına dahildir.
Arbusküler Mikorizalar
Arbusküler mikorizaların (AM) ayırdedici özellikleri, kök korteks hücreleri içerisinde oldukça dallı arbuskül yapı oluşturmalarıdır. Mantar, başlangıçta korteks hücrelerinin arasında gelişir, fakat kısa zamanda konukçu hücre duvarından içeri girer ve hücre içerisinde gelişmeye devam eder. Mantarın korteks hücreleri içerisinde geliştiği bütün mikorizal tiplere genel olarak endomikoriza denir. Bu ortak yaşamda ne mantar hücresi duvarı ve ne de konukçu bitki hücresi membranı bozulmamaktadır. Mantar büyüdükçe konukçu bitki hücresi membranı, mantarı bir kılıf içerisine alır ve tamamen etrafını kuşatarak, içerisinde yüksek moleküler yapıdaki maddelerin depolandığı ayrı bir bölme oluşturur. Bu ayrı bölme, bitki ile mantar sitoplazması arasında doğrudan temasa engel olarak simbiyontların (bitki-mantar) arasındaki besin maddeleri taşınımının daha iyi bir şekilde gerçekleşmesini sağlar. Arbusküller, nispeten kısa ömürlüdür (15 günden az) ve tarladan toplanmış örneklerde genellikle bunları görmek oldukça zordur. AM mantarlarının oluşturduğu diğer yapılardan bazıları, vesiküller, yardımcı hücreler ve aseksüel sporlardır. Vesiküller, ince duvarlı, lipidle dolu yapılardır ve genellikle hücreler arası boşluklarda yer alırlar. Vesiküllerin ana işlevinin depolama olduğunun düşünülmesine karşın, vesiküller aynı zamanda mantarın üremesini sağlayan organlar (propagule) olarak da görev yapmaktadır. Yardımcı hücreler, toprakta oluşur ve kangal (bobin) veya yumru şeklinde olabilirler. Bu yapıların işlevleri bilinmemektedir. Üremeyi sağlayan sporlar, kök içerisinde veya genellikle toprak içerisinde oluşabilmektedir. AM ortaklıkları oluşturan mantarların ürettiği sporlar aseksüeldir ve vejetatif hiflerin değişime uğraması ile meydana gelirler. Bazı mantarlarda (örneğin, Glomus intraradices) vesiküller, kök içerisinde ikincil bir kalınlaşmaya uğrar ve hifsel yapı boyunca ortada bir ayırıcı duvar teşkili ile hifin ucunda spor oluşur. Fakat, genellikle sporlar, toprak içerisinde hifsel şişkinliklerden gelişirler.
AM’ları oluşturan bütün mantarlar en son olarak Glomales takımına dahil edilmiştir (Morton, 1988).
AM tipi simbiyozu oluşturan mantarların, otsu ve odunsu bitkileri içeren geniş taksonomik aralıktaki bitkileri kolonize etmeleri nedeni ile bu tip simbiyoz çok yaygın olarak görülür. Bu ise genel olarak bu tip içerisinde bir konukçu spesifikasyonunun olmadığını göstermektedir. Bu böyle olmakla beraber, spesifiklik, kendiliğinden olan kolonize edebilme yeteneği, enfekte etme yeteneği, kolonize miktarı ve etkinliği ile kolonizasyona karşı bitkinin tepkisini (response) ayıredebilmekle ortaya çıkar. AM mantarlarının, kök sistemi içerisinde oluşturdukları kolonizasyon seviyesi ve bunların besin maddeleri alımı ve bitki gelişmesine olan etkileri oldukça değişiktir.
Ericaceous Mikorizalar
Ericaceous terimi, Ericales takımından bitkilerde rastlanan mikorizal ortaklıkları ifade etmede kullanılmaktadır. Kök içerisindeki hifler, korteks hücrelerinin içine girebilirler (endomikorizaların özelliği), fakat arbuskül oluşmaz. Başlıca 3 tip ericaceous mikoriza tanımlanmıştır :
(i) Ericoid — İç korteks hücreleri tamamen mantar hifleri ile doludur. Kırpaç şeklindeki gevşek bir hif parçası kök yüzeyi üzerinde büyür. Fakat, bir kın oluşmaz. Ericoid mikorizalar, Calluna (heather : funda, süpürge otu), Rhododendron (azaleas ve rhododendrons) ve Vaccinium (blueberries) gibi çok ince kök sistemleri olan ve tipik olarak asit ve peat topraklarda büyüyen bitkilerde bulunurlar. Bu mikorizal ortaklıkta görev alan mantarlar, Hymenoscyphus cinsi ascomycetes’lerdir.
(ii) Arbutoid — Hem ectomikorizaların hem de endomikorizaların özelliklerini taşımaktadır. Hücrelerarasına girerler, bir kın oluşur ve Hartig net (ağ) vardır. Bu ortaklık, Arbutus (ör. Pacific madrone), Arctostaphylos (ör. bearberry) ve Pyrolaceae’nın birkaç türünde bulunmaktadır. Bu ortaklıkta görev alan mantarlar basidiomycetes’lerdir. Aynı mantarlar, aynı bölgede bulunan EM konukçu ağaçları da kolonize edebilirler.
(iii) Monotropoid — Mantarlar, Monotropaceae familyasından achlorophyllous (klorofilden yoksun) bitkileri (ör. Indian pipe) kolonize ederler, Hartig net ve manto (kın) oluştururlar. Aynı mantar grubu, ağaçlarla da EM ortaklıkları oluşturur ve bu suretle oluşturduğu bağlantı ile de ototrof (autotrophic) konukçu bitkiden karbon ve diğer besin maddelerinin heterotrof (heterotrophic), parazit bitkiye akmasını sağlayabilir.
Orkide (Orchidaceous) Mikorizalar
Mikorizal mantarların, Orchidaceae familyası bitkilerinin yaşam döngüsünde özel bir rolleri vardır. Orkideler tipik küçük tohumlarında çok az miktarda besin maddesini depo ederler. Çimlenmeden çok kısa bir süre sonra bitki kolonize edilir ve mikorizal mantar, gelişmekte olan embriyoya karbon ve vitaminler sağlar. Klorofilsiz türlerde bitki tüm yaşantısı boyunca karbon ihtiyacını sağlamak için ortağı mantara bağımlıdır. Mantar bitki hücresi içinde gelişir, hücre membranını çevreler ve hücre içerisinde hifsel yumaklar oluşturur. Bu yumaklar sadece bir kaç gün için aktiftir. Sonra normal yapılarını kaybedip bozunuma uğrarlar ve besin maddesi içerikleri büyümekte olan orkide tarafından absorbe edilir. Bu ortak yaşamda yer alan mantarlar basidiomycetes’dir, odun çürüten (ör. Coriolus, Fomes, Marasmius) ve patojen olan (ör. Armillaria ve Rhizoctonia) tiplere benzerler. Olgun orkidelerde, mikorizalar besin maddesi alımında ve taşınımında rol oynarlar.
Karışık Enfeksiyonlar
Birkaç çeşit mantar, tek bir bitkinin köklerini kolonize edebilirler. Fakat, oluşan mikorizal ortaklık tipi genellikle bir konukçu için aynıdır (bellidir). Bazı durumlarda, bir konukçu birden fazla tipte mikorizal ortaklığı da sağlayabilmektedir. Alnus (alders), Salix (willows), Populus (poplars) ve Eucalyuptus cinslerinde aynı bitki üzerinde hem AM hem de EM ortaklıklarının ikisi birden bulunabilir. Bazı ericoid bitkilerde nadiren EM ve AM ortaklıklarının ikisi bulunabilir.
Fidanlıklarda ve yanmış orman sahalarında coniferous ve deciduous cinsi konukçu bitkilerinde bir ara mikorizal tipe rastlanmaktadır. Ektendomikoriza (ectendomycorrhiza) denen bu ara tip, tipik bir EM yapısı gösterir, yalnızca kın (mantle) ya incedir veya hiç yoktur ve Hartig net içerisindeki hifler, kök korteks hücreleri içerisine girebilmektedir. Fidanlar büyüdükçe, ektendomikorizaların yerini EM’lar alır. Bu ortaklıkta yer alan mantarlar, başlangıçta "E-strain" olarak gösterilmiştir. Ancak daha sonra bunların ascomycetes olup Wilcoxina cinsi içerisinde yer aldıkları ifade edilmiştir.
BESİN MADDELERİNİN ALINMASI VE TAŞINMASI
Toprak çözeltisinde bir besin maddesi eksikse, o maddenin alımını kontrol eden kritik kök parametresi yüzey alanıdır. Mikorizal mantar hiflerinin, kökün absorbe yüzey alanını büyük ölçüde artırma potansiyeli vardır. Örneğin, Rousseau ve ark. (1994), ekstramatriks miselleri (hif agregatları) miktarının, besin maddesi absorbe eden toplam yüzey kütlesinin % 20’sinden daha az olduğu durumda, çam fidanlarının absorbe edici yüzey alanına katkıları % 80 civarında olmuştur.
Diğer önemli bir husus ise, ekstramatriks hiflerin (extramatrical hyphae) dağılımlarının ve fonksiyonlarının hesaba katılmasıdır. Mikorizaların besin maddesi alımında etkili olmaları için hiflerin, bitki kök bölgesi çevresinde gelişen besin maddesi tüketim bölgesinin (zonu) biraz daha uzağına kadar dağılmış olmaları gerekir. Besin maddesi tüketim zonu, diffüzyonla eksiğin giderilebilmesine imkan vermeyecek bir hızla besinlerin, toprak çözeltisinden uzaklaştırıldığı durumda oluşur. Fosfat gibi oldukça az hareketli iyonlar için köke yakın keskin ve dar bir tüketim zonu gelişir. Hifler, kolaylıkla bu tüketim zonunu aşarak toprak içinde gelişirler ve yeter miktarda fosforu temin ederler. Çinko ve bakır gibi mikro elementlerin alımları da mikorizalarla iyileştirilmektedir. Çünkü bu elementlerin de diffüzyonları birçok toprakta sınırlıdır. Nitrat gibi daha çok hareketli besin elementleri için tüketim zonu geniştir ve yalnızca kökten etkilenmeyen bir zona hiflerin fazlaca ulaşabilmeleri de uzak bir olasılıktır. Mikorizaların bitki besin elementlerini absorbsiyonlarına olumlu katkıda bulunan diğer bir faktör, köklere göre daha dar çaplı olmalarıdır. Bir besin maddesinin diffüzyon oranı, absorbe edici alanın yarıçapı ile ters orantılı olarak artar. Ayrıca dar hifler, köklerin ve hatta kılcal köklerin giremediği çok küçük toprak boşlukları (porları) içerisinde gelişebilirler.
Mikorizal mantarlara atfedilen diğer bir avantaj bitkiye yarayışlı olmayan fosfor havuzlarının kullanılabilmesidir. Bu kullanımın bir şekli, organik asitlerle inorganik ve organik fosforun fizikokimyasal salınımıdır. Organik asitler bu salınımı, düşük molekül ağırlığı olan okzalat gibi organik anyonlarla :
(i) metal-hidroksil yüzeylerine bağlı fosfor iyonları ile iyon değişimi yolu ile yer değiştirerek,
(ii) fosforun bağlı olduğu metal oksit yüzeylerini çözerek,
(iii) çözelti içerisindeki metalleri bağlayarak fosforun metal fosfatlar halinde çökelmesini önleyerek gerçekleştirirler (Fox ve ark., 1990).
Bazı EM mantarları fazla miktarda okzalik (oxalic) asit üretirler ve bu durum EM köklerde bitki besin maddesi alımının neden arttığını kısmen açıklayabilir. Mikorizal mantarlar, organik maddenin mineralizasyonu ile inorganik fosforu serbest hale getirirler. Bu organik fosfat (C - O - P) ester bağlarının fosfataz yardımı ile hidrolizi sonucu gerçekleşir. Saf kültürlerde gelişen mikorizal mantarlarda, kesilmiş ve bozulmamış EM kısa köklerde önemli miktarda fosfataz aktivitesinin belirlendiği literatürlerde verilmektedir. Bitki kökleri ve bağlantılı mikroflora da ayrıca organik asitler ve fosfatazlar üretmektedir. Ancak, mikorizal mantarlar kesinlikle bu aktiviteyi artırmaktadır.
Ericoid ve EM, azot mineralizasyonunda özel bir rol oynarlar (Read ve ark.,1989). Toprağa katılan birçok bitki artığında C:N oranı yüksektir, lignin ve taninlerce zengindir. Yalnızca birkaç mikorizal mantar bu birincil kaynaklardan besin maddelerini hareketli hale getirebilir. Ancak, çok sayıda ericoid ve EM mantarlar, azot ve diğer besin elementlerini, ölü mikrobiyal biyokütleler gibi ikincil organik madde kaynaklarından sağlayabilirler. Organik azotu depolimirize edebilen çok sayıda hidrolitik ve oksidatif enzimler tespit edilmiştir. Bu tip mikorizalar, asidik ve organik maddesi oldukça yüksek toprakların hakim olduğu alanlarda azot döngüsünde önemli bir rol alabilirler.
MİKORİZAL BİTKİLERDE KARBON AKIŞI
Mikorizal mantarlar, AM mantarlarda olduğu gibi karbon ihtiyacını yalnızca konukçu bitkilerden sağlayabilen zorunlu ortak (obligate symbionts) konumundan, bazı EM türlerde görüldüğü gibi canlı olmayan kaynaklardan da organik karbon mineralize edebilen seçenekli ortak (facultative symbionts) konumuna kadar değişen bir aralıkta yer alırlar. Doğada heterotrof mikorizal mantarlar, karbon ihtiyaçlarının tümünü veya büyük bir kısmını ototrof konukçu bitkiden sağlarlar. Ektomikorizalar ve ericoid mikorizalar, konukçu bitki karbohidratlarını, mannitol ve trehalose gibi mantara özgü depo karbohidratlara dönüştürürler.
Bitkiler tarafından alınan toplam karbonun % 20 kadarı ortak mantara taşınabilmektedir. Mantara olan bu karbon taşınımı bazen bitkiden bir kayıp olarak değerlendirilmektedir. Fakat, mikorizal kolonizasyonu takiben konukçu bitkinin fotosentetik aktivitesi artabilmekte ve böylece topraktan kaybolan karbon karşılanmaktadır. Genellikle, bitki büyümesinin baskı altında olması mikorizal kolonizasyona bağlanmakta ise de bu baskı ekseriye az ışık (fotosentezi kısıtlar) veya yüksek fosfor koşullarında ortaya çıkmaktadır.
Bir ekosistem içerisinde, mikorizalar yardımı ile toprağa olan karbon akışı birçok önemli işleve hizmet eder. Bazı mikorizalarda, ekstramatrikal hifler, proteazlar ve fosfatazlar gibi hidrolitik enzimleri üretirler. Bu enzimler, organik madde mineralizasyonunda ve besin elementlerinin yarayışlılığında önemli etkide bulunabilirler. Ekstramatrikal hifler aynı zamanda toprak parçacıklarını birarada tutarak toprak agregasyonunu iyileştirirler. Tipik olarak, bir gram toprakta 1 ile 20 m arasında AM hifleri vardır (Slyvia, 1990). Ortak mantara karbon akışının diğer önemli bir sonucu da, "mikorizosfer" (mycorrhizosphere) diye adlandırılan tek bir mikrobiyal topluluğun oluşturduğu bir rizosferi geliştirmesidir. Toprak bilimcileri, toprağa karbon akışının toprak agregasyonunun iyileştirilmesinde ve sağlıklı bir bitki-toprak sisteminin korunmasında kritik bir unsur olduğunu bilmektedirler. Toprağın organik karbon kazanımını arttırması mikorizal kolonizasyonun önemli bir faydası olarak düşünülmelidir.
DİĞER TOPRAK ORGANİZMALARI İLE İNTERAKSİYONLAR
Mikorizal mantarlar, rizosfer içerisinde çok çeşitli organizmalarla karşılıklı etkileşimde bulunurlar. Sonuç, mikorizal ortaklık veya rizosferin özel bir bileşeni üzerinde, pozitif, nötr veya negatif etkili olabilir. Örneğin, bazı özel bakteriler, conifer fidanlıklarında EM oluşumunu stimule ederler ve mikorizasyona yardımcı bakteriler (mycorrhization helper bacteria) olarak adlandırılırlar. Bazı durumlarda, bu bakteriler toprak fumigasyonuna olan ihtiyacı ortadan kaldırırlar (Garbaye, 1994).
Rhizobiumlar ile AM mantarlar arasındaki interaksiyon, azot fiksasyonunda nispeten fazla miktarda fosfora ihtiyaç duyulduğu için oldukça ilgi çekmiştir. İki simbiyoz tipik olarak sinerjik (synergistically) bir etki ile hareket ederler ve sonuç olarak, birlikte aşıladıkları baklagil bitkisinin azot ve fosfor kapsamını, yalnız başlarına aşılamalarına göre daha çok artırırlar. Baklagiller kaba kök yapıları nedeni ile topraktan fosfor eksrakte etmede yetersizdirler. Baklagiller ile ortaklık kuran AM mantarlar, fosforla yeter miktarda beslenmede gerekli bağlardır. Bunun sonucunda nitrogenaz (nitrogenase) aktivitesi artar, geri dönüşümü olarak kök ve mikorizal büyüme artar. Mikorizal mantarlar, besleyici kökleri kolonize ederler ve böylece aynı dokuyu işgal eden parazitlerle de interaksiyona girerler. Fosfor alımının düşük olduğu doğal bir ekosistemde, mikorizal mantarların başlıca görevi kök sistemini Fusarium spp. gibi endemik (endemic) patojenlerden korumaları olabilir.
Mikorizalar, seçilmiş biyokontrol etmenleri ile kök kolonizasyonunu teşvik edebilirler, fakat bu interaksiyonlar yeterince anlaşılmamıştır. Mikorizal kolonizasyonun kök patojenleri üzerine olan potansiyel etkilerini belirlemek için çok sayıda araştırma yürütülmüştür. Mikorizal mantarlar, kök hastalıklarının tekrarlama oranını ve şiddetini azaltabilir. Bu koruyucu etki mekanizmasını açıklayan bazı düşünceler şöyledir:
patojenlerin enfeksiyonuna karşı mekanik bir engel (özellikle EM’ın kını-Mantle) gelişmesi,
patojeni baskı altına alacak antibiyotik bileşiklerinin üretilmesi,
siderophores üretimi de dahil olmak üzere patojenle besin maddesi için rekabet etme ve,
bitki savunma genel mekanizmalarının harekete geçirilmesidir.
MİKORİZALARIN YÖNETİMİ
Düşük verimliliği olan topraklarla yapılan saksı çalışmalarında mikorizal mantarlarla bitkilerin aşılanmasını takiben çarpıcı bir bitki gelişiminin görülmesi 1980′lerde bu organizmaların biyogübre olarak kullanılabilme olanaklarını araştırmaya neden olmuştur. Tarla sonuçları, özellikle de fazla girdi kullanılan tarımsal sistemlerde genellikle hayal kırıcı olunca pek çok kişi mikorizaların tarımsal uygulamalarda çok az önemi olduğu sonucuna varmışlardır. Daha sonra yapılan çalışmalar tarım bitkilerinin büyük bir kısmının mikorizal mantarlarca kolonize edildiğini göstermiş ve bu mantarların ürün verimliliğine hem pozitif hem de negatif yönde önemli etkilerinin olduğunu ortaya koymuştur (Johnson, 1993). Tarımcılar kesin olarak, kendi sistemleri içerisinde mikorizaların dağılımlarını değerlendirmeli ve sistemlerinin yönetimi ile ilgili kararlarının mikorizaların işlevleri üzerine olacak etkilerini anlamalıdırlar.
Mikorizaların bir agroekosistem içerisindeki potansiyel rolünü değerlendirirken düşünülmesi gereken faktörler :
Konukçu bitkinin mikorizal bağımlılığı (MB). Bu genellikle, mikorizal bitkilerin mikorizal olmayan bitkilere karşı belli bir fosfor seviyesindeki gelişimlerinin değerlendirmesidir. Her ne kadar tarımsal bitkilerin çoğunda mikoriza var ise de tümü bu ortak yaşamdan eşit şekilde fayda sağlayamaz. Genellikle kaba (kazık) köklü bitkiler, ince köklü bitkilere göre daha fazla fayda sağlarlar.
Toprağın besin maddesi durumu. Mikorizal ortaklıktan beklenen başlıca faydanın fosfor alımını iyileştirmek olduğunu varsayalım. Toprak fosforunun kısıtlı olduğu bir durumda mikorizal mantarın yönetimi en önemli unsur olacaktır. Tropikal toprakların çoğu fosforu fiksederler ve yeterli fosfor alımı için bitkilerin uygun olarak mikorizasyonu gereklidir. Ilıman bölgelerde ise bazen fosfor ürünün ihtiyacından daha fazla miktarda verilir. Ancak günümüzde çevre kalitesinin korunmasına verilen önem artmaktadır ve bu doğrultuda gelişmiş ülkelerde fosfor kullanımı azaltılabilir. Bu ise besin maddesi alımında bitkilerin doğal mikorizalara bağımlılığını artıracaktır. Gözönüne alınması gereken diğer bir faktör ise su stresi ile besin maddesinin yarayışlılığı arasındaki interaksiyondur. Topraklar kuru olduğunda, toprak analizi sonucuna göre yarayışlı fosfor düzeyi yüksek çıkan topraklarda bile fosfor gelişimi sınırlayan bir faktör olmaya başlayabilir.
Yerli mikorizal mantarların aşı potansiyelleri. Aşı potansiyeli, topraktaki propagule’lerin (üreme yapıları) çokluk ve güçlerinin bir ürünüdür. Bu potansiyel, bir dizi standard koşul altında hassas bir konukçu bitkinin kolonizasyon oranının belirlenmesi ile ölçülebilir. Aşı potansiyeli, gübre ve kireç uygulama, pestisit kullanımı, ürün münavebesi, nadas, sürüm ve üst toprağın uzaklaştırılması gibi yönetim uygulamaları ile ters yönde etkilenebilir.
Yönetim uygulamalarının topraktaki mikorizal popülasyonu ve konukçu bitkinin sonraki büyümesini nasıl etkilediğine ilişkin örnekler :
Toprak bozunumu, örneğin toprak işlemesi, tarımsal sistem içerisinde mikorizaların işlevlerini önemli ölçüde etkileyebilir. Kanada, Guelp üniversitesinden M.H. Miller ve arkadaşları, tarıma uygun bir alanda toprak işleme ile ilgili ilginç bir sonuç bulmuşlardır. İşleme yapılmayan toprakta AM gelişimi zayıflamış ve sonucunda tarladaki mısır fidelerinin fosfor alımı azalmıştır (Miller et al., 1995). Varsayılan ise, toprak bozunumunun mikorizal ortaklığın etkinliğini azaltacağıdır. Bunu kanıtlamak için, büyüme odalarında, uzun dönem tarla parsellerinden alınan bozulmuş ve bozulmamış toprak örnekleri ile bir dizi çalışma yürütülmüştür. Bozulma hem mikorizal kolonizasyonu hem de mısır ve buğday köklerinde fosfor alımını azaltmış, fakat mikorizal olmayan ıspanak ve kolzada (canola) fosfor alımını azaltmamıştır. Yazarlar, kısıtlı bitki besin maddesi koşullarında, mikorizal fidelerin topraktaki bozulmamış hif ağları ile bir ortaklık oluşturma yeteneğinin, ürünün tesisinde hayli avantaj sağlayabileceği sonucuna varmışlardır.
Ürün münavebe ve nadas sistemleri, mikorizal mantarların çeşitlilik ve işlevlerini etkileyebilir. J. P. Thompson, Avustralya’nın Queensland eyaletinde uzun dönem (12 aydan fazla) nadasta tarla ürünlerinin düzensizliklerinde AM mantarların rolünü tanımlamıştır (Thompson, 1987). Yarı kurak bitki sistemlerinde nadas, toprak nemini ve nitratı ardından ekilecek ürün için muhafaza eder. 1940′lı yıllardan beri bazı bitkiler uzun bir nadas döneminin hemen arkasından ekildiklerinde zayıf büyümekte, fosfor ve çinko noksanlığı göstermektedirler. Avustralyalı araştırmacılar, nadasın toprakta AM mantarların propagule’lerinde düşüş ve tarlada ürün bitkilerinin kolonizasyonunda azalma yaptığını bulmuşlardır. Ayrıca, aşılama denemelerinden elde ettikleri sonuçlara göre, toprakta aşı materyalinin artmasının, nadasın bozucu etkisini bertaraf ettiğini bulmuşlardır. Bu sonuçlara göre çiftçilere, nadas sonrası veya AM propagule’lerinde azalmaya neden olan kolza gibi mikorizal olmayan bir bitkinin ardından keten tohumu, ayçiçek ve soya gibi mikorizal bağımlı bitkileri ekmemelerini tavsiye etmektedirler.
MİKORİZAL AŞI ÜRETİM VE KULLANIMINDA POTANSİYEL VE PROBLEMLER
Doğal mikorizal aşı potansiyelinin düşük veya etkisiz olduğu durumlarda bitki üretim sistemi için uygun mantarların sağlanması kayda değer bir düşüncedir. Mevcut teknolojik koşullar altında aşılama, taşınabilen yani fide olarak kullanılabilen bitkiler için ve toprak bozulmasının doğal aşı potansiyelini azalttığı alanlar için en iyidir.
Herhangi bir aşılama programında ilk adım, hem infektif (yani kökün içine girebilme ve yayılma) hem de efektif (yani konukçu bitkinin büyümesini veya streslere direncini artırma) olan bir izolatın elde edilmesidir.
EM ve AM mantarların izolasyonlarının ve aşı üretiminin çok değişik problemleri vardır. Pek çok EM mantar yapay bir ortamda (besiyerinde) çoğaltılabilir. Böylece, yüzeyi böcek, kemirgen v.s’den temizlenmiş sporocarp veya mikorizal kısa kök parçaları agarlı besiyerleri üzerine yerleştirilerek EM mantarların izolatları elde edilebilir. Elde edilen mantarlı biyokütle kolaylık olsun diye doğrudan aşı olarak kullanılabilirse de, aşı daha çok mantarlı materyalin peat gibi bir taşıyıcı veya hacim artırıcı bir materyal ile karıştırılması ile hazırlanır. Konukçu bitkilerinden ayrı olarak gelişemedikleri için AM mantarların izolatlarını elde etmek daha zordur. Sporlar topraktan elekle ayrılıp, yüzeyleri böcek v.s’den temizlenip, steril toprak veya yapay bitki yetiştirme ortamında hassas konukçu bitki üzerinde saksı kültürleri başlatmada kullanılabilir. Tipik olarak aşı büyük kapasiteli saksı kültürlerde üretilir. Başka bir yol ise hydroponic veya aeroponic kültür sistemlerin kullanılmasıdır. Bu sistemlerin bir faydası bitkilerin dayanacakları bir taban olmadan büyüyebilmeleri nedeni ile kolonize olmuş kökler makasla kesilerek fazla sayıda propagule içeren aşı elde edilir. Sylvia (1994), AM aşı ile çalışma metotlarını vermektedir.
Doğal aşı potansiyelinin düşük olduğu bir alanda mikorizal bağımlı bir ürünün EM veya AM mantarları ile aşılanarak yetiştirilmesinin faydalarına ilişkin örnekler:
1- Çamlar, Puerto Rico’nun doğal ağaçlarından değildi ve bunların mantar ortakları da toprakta yoktu (Vozzo ve Hacskaylo, 1971). 1930′lara doğru geriye gidildiğinde adada çam tesis etme çalışmaları da başarısız olmuştur. Çamlar, normal olarak iyi çimlenmiş ve 8-10 cm boyuna nispeten kısa bir sürede ulaşmışlardır. Fakat sonra gelişme hızla azalmıştır. Fosforlu gübreler bitkinin yeterince güçlenmesini sağlamamıştır. 1955 yılında, North Carolina eyaletinde çam ağaçlarının altından alınan toprak, Puerto Rico’da batı dağlarının Maricao bölgesinde yetiştirilen yaklaşık 1 yaşındaki "scrawny" çam fidelerinin bulunduğu toprağa aşı olarak karıştırılmıştır. 32 fide aşılanmış ve eşit sayıda fide yani 32 tanesi de aşılanmamış kontrol bitkiler olarak izlenmiştir. Bir yıl içerisinde, aşılanmış bitkilerde zengin bir mikorizal kolonizasyon olmuş ve 1,5 m boyuna ulaşmışlarken aşılanmayan bitkilerin çoğu ölmüştür. Daha sonra yapılmış çalışmalarda, mikorizal mantar bulunan yüzey toprağı ile ve saf aşı ile karıştırma, peat ortamında gelişmiş mantar kullanma gibi yollarla aşılanmış fidelerin, mikorizasız olanlara göre sürekli olarak daha canlı ve daha büyük oldukları görülmüştür. Devam eden izleme çalışmaları, aşılamadan 15 yıl sonra bile aşı olarak verilmiş mantarların çam plantasyonlarında gelişmeye ve spor yapmaya devam ettiklerini göstermiştir.
2- Kıyı şeritlerinin çoğunda kum erozyonu bir sorun olup, kıyıdan uzak yerlerden kum çekilerek sahiller yeniden doldurulup, bu alanlar eski haline getirilmeye çalışılmaktadır. Sahilin arka taraflarında doğal otlar erozyonun ilerlemesini azaltmak ve kumul oluşma sürecini başlatmak için yetiştirilir. Doğal kumullarda, sahil otları bir dizi AM mantarlar tarafından kolonize edilirler. Her nasılsa, bu otlar fidanlıklarda üretildiklerinde mikorizaları yoktur. Daha da fazlası, yeniden doldurulan kumlar da AM propagule’lerinden yoksundur. Bir seri çalışma ile doğal kumullarda yetişmiş otlardan AM mantarları izole edilmiştir (Sylvia, 1989). Mantarlar, belli bir konukçu/toprak kombinasyonu için etkinlikleri ve fidanlık üretim sistemlerine uygunlukları yönünden muhafaza edilmiş ve yeniden düzenlenen sahillere taşınan bitkilerde aşılamanın etkisi incelenmiştir. Fidanlıkta, yüksek seviyelerde pestisit ve gübre uygulamalarına rağmen orta miktarda bir kolonizasyon başarılmıştır. Bu bitkilerin düşük besin maddesi olan sahil ortamına taşınmalarından sonra AM kolonizasyonu hızla yayılmış ve yoğun bakım altındaki fidanlıktan alındıklarında aynı büyüklüklükte olmalarına rağmen aşılanmamış kontrol bitkilere kıyasla bitkiler daha çok gelişmişlerdir. Sahil ortamında geçirilen 20 ay sonunda, AM ile kolonize olmuş bitkiler aşılanmayan bitkilere göre sırası ile % 219, 81, 64 ve 53 daha fazla üst aksam kuru kütlesi, kök uzunluğu, bitki boyu ve çok sayıda kök filizi vermiştir. Aşılamanın fidanlıkta yapılmasının çoğu durumda amacı, iyi bir bitki gelişimi sağlamaktan ziyade bitki ile iyi bir ortaklığın tesisini temin ederek tarlaya şaşırtılan bitkinin sağlığını korumaktır.
Hazırlayan: Dr. Nesime CEBEL
Toprak ve Gübre Araştırma Enstitüsü
Yenimahalle/ANKARA
YARARLANILAN KAYNAKLAR:
Altuntaş, s., cebel, n., karuç, k., akınbingöl, ş. 1997. Aşılama ile verilen soya kök nodül bakterisinin nodül oluşturmadaki etkinliğinin serolojik olarak belirlenmesi. Toprak ve Su Kaynakları Araştırma Yıllığı 1996. KHGM, APK Dairesi Başkanlığı, Toprak ve Su Kaynakları Araştırma Şube Müdürlüğü. Yayın No:102. Ankara.
CEBEL, N., 1989. Mikrobiyal aşı uygulamasındakullanılan seçilmiş Rhizobium japonicum suşlarının nodülasyon yeteneklerinin serolojik yöntemler kullanarak belirlenmesi. Doktora Tezi. Ankara.
DAVID, M. S., et al. 1998. Principles and applications of soil microbiology. ISBN 0-13-459991-8. New Jersey.
HAKTANIR, K., ARCAK, S., 1997. Toprak Biyolojisi (Toprak Ekosistemine Giriş). Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi. Yayın No:1486, Ders Kitabı: 1447. ANKARA.
somasegaran, p., hoben, h. 1985. Methods in Legume Rhizobium Technology. USAID NifTAL. University of Hawaii, Nif DOC. 85.0301.p.367. Paia.
ÜLGEN, H.,1975. Baklagil bitkilerinin nodül bakterileri (Rhizobium) ile aşılanması. Toprak ve Gübre Araştırma Enstitüsü. Genel yayın no: 56, Teknik yayın no:40. ANKARA.
ÜLGEN, H.,1972. Türkiye kültür topraklarından izole edilen bazı bakterilerin azot tespit güçleri ve bunlarla aşılamanın bitkilerde mahsul verimine etkisi. Doktora tezi. ANKARA.
VINCENT, J.M. 1970. A manual for the practical study of root-nodule bacteria. IBP Handbook No:15. Biological Programme 7. Blackwell Scientific Publications. Oxford and Edinburg, England.
