Powstała pierwsza globalna mapa podziemnego imperium grzybów. Dlaczego to przełom?

Od dawna mamy kontakt z obcą inteligencją, której złożoność jest trudna do zrozumienia. Jej dziełem jest najstarsza i największa sieć komunikacyjna. Pracuje na sygnałach elektrycznych i chemicznych, a jej użytkownicy to całe ekosystemy. Ale nie szukajmy jej w kosmosie. Prawdziwi „obcy” są tuż pod nogami. To grzyby – przede wszystkim mykoryzowe, czyli współżyjące z korzeniami roślin. Do ważnych grup mykoryzowych należy m.in. wiele podstawczaków (Basidiomycota – np. borowiki, muchomory) oraz pewne workowce (Ascomycota – np. trufle), a także mikroskopijne arbuskularne grzyby (Glomeromycota), które zręcznie łączą się z ogromną częścią roślin na świecie.

I to właśnie o nich, podziemnych „inżynierach ekosystemów”, przeczytamy w przełomowym artykule opublikowanym pod koniec lipca w „Nature”. Zespół naukowców, kierowany przez Michaela E. Van Nulanda z Uniwersytetu Stanforda, po raz pierwszy w historii stworzył szczegółową mapę globalnego zróżnicowania grzybów tworzących symbiozę z korzeniami roślin.

Ale żeby w pełni zrozumieć rewolucję, którą niosą ze sobą te mapy, musimy na chwilę porzucić kosmiczne analogie i dotknąć sedna sprawy. Czym w ogóle jest ten organizm, który oplata korzenie większości roślin na Ziemi i o którym wciąż wiemy tak niewiele?

Choć dla nas grzyb to przede wszystkim kapelusz z nóżką w koszyku, z perspektywy biologii dorodny maślak jest w istocie krótkotrwałym owocnikiem – swego rodzaju organem rozrodczym. Reszta ciała grzyba – czyli grzybnia, będąca siecią niciowatych komórek (strzępek), oplatających korzenie roślin – znajduje się zwykle pod ziemią.

Rozmnażanie się jest zjawiskiem bardzo zróżnicowanym, ale podstawowa w tym kontekście różnica między „nimi” (grzybami) a „nami” (roślinami i zwierzętami) jest taka, że grzyby nie posiadają płci w tradycyjnym sensie, tzn. nie produkują dwóch typów komórek rozrodczych (małych męskich oraz dużych żeńskich). Zamiast tego funkcjonują u nich rozmaite systemy „typów płciowych” (określanych też skrótem MAT), oparte na specyficznych zestawach genów w chromosomach („locus typu płciowego”, „locus MAT”).

U niektórych workowców spotykamy prostsze, bipolarnie działające układy MAT przypominające tradycyjną płeć (organizm produkuje komórki rozrodcze z jednym z dwóch możliwych zestawów genów MAT, a do powstania nowego organizmu potrzebna jest komórka rozrodcza zawierająca odmienny zestaw genów MAT). Jednak u wielu podstawczaków występują bardziej złożone, tetrapolarne systemy – dwa niezależne regiony genomu (czasem zlokalizowane na różnych chromosomach) wspólnie decydujące o zgodności kojarzeniowej. W praktyce u gatunków takich jak rozszczepka pospolita (Schizophyllum commune), którą można znaleźć na pniach drzew, daje to teoretycznie dziesiątki tysięcy możliwych kombinacji typów płciowych.

Zatem podczas gdy u ludzi czy też – przykładowo – u królików płeć determinuje prosty system chromosomów XY, prowadząc zasadniczo do jednej decydującej różnicy (obecność lub brak chromosomu Y), to u grzybów złożony system genów MAT tworzy potencjalnie ogromną liczbę genetycznych „typów płciowych”, w której o zgodności decyduje zróżnicowanie wariantów genów w wielu loci MAT. Dany grzyb może się połączyć z ogromną liczbą innych osobników, byle nie miały identycznych genów MAT.

Ponadto grzyby wypracowały cały zestaw strategii rozrodczych: klasyczne kojarzenie komórek o różnych typach, formy jednopłciowe, mechanizmy pseudo- i paraseksualne (obejmujące łączenie się grzybni, a nie komórek rozrodczych) oraz rozmnażanie bezpłciowe (klonalne). Taka plastyczność reprodukcyjna łączy zalety rekombinacji genetycznej, czyli zwiększa genetyczne zróżnicowanie osobników (u nas gwarantowane przez płeć) z możliwością szybkiego rozprzestrzeniania się w ustabilizowanych warunkach. To jeden z powodów, dla których grzyby są tak ewolucyjnie skuteczne.

Zanim przejdziemy dalej, warto też dopowiedzieć, dlaczego grzyby zasłużyły na to, by systematycy biologiczni powołali dla nich ich własne królestwo (obok królestw zwierząt, roślin i protistów, gdy idzie o organizmy posiadające jądra komórkowe). Przez długi czas grzyby wrzucano obok roślin do jednego worka organizmów niebędących zwierzętami, lecz między tymi dwiema grupami występują ogromne różnice. Grzyby nie mają chloroplastów i nie fotosyntetyzują – są cudzożywne; pokarm pozyskują, wydzielając enzymy do otoczenia i wchłaniając produkty trawienia, przez co pełnią w ekosystemie funkcję reducentów. Wreszcie – dane molekularne lokują je bliżej zwierząt niż roślin. To przez wspólnego przodka, który miał jedną, tylną wić – tak jak plemniki zwierząt i zarodniki niektórych grzybów. Dlatego jesteśmy bliżej spokrewnieni z borowikiem niż borowik z dębem, pod którym rośnie.

A to, jak klasyfikujemy organizmy – pisze Brian Lovett w artykule „Trzy powody, dla których grzyby nie są roślinami” na portalu American Society for Microbiology – wpływa na to, jak je rozumiemy, wspieramy (finansowo i kulturowo) i wchodzimy w relacje z nimi.

Przełom w naszym rozumieniu grzybów nastąpił, gdy dostrzegliśmy skalę i złożoność podziemnej sieci, nazwanej żartobliwie Wood Wide Web (leśnym internetem). Ta grzybniowa pajęczyna oplata korzenie niemal wszystkich roślin lądowych, tworząc największy i najstarszy system komunikacyjny świata, w dodatku występujący między biologicznymi królestwami. Korzystają z niego np. drzewa, a badania sugerują, że za jego pośrednictwem są one w stanie przesyłać potencjały elektryczne wywołane np. zranieniem. Innymi słowy, dzielą się (być może „mimowolnie”, jeśli u roślin można mówić o woli) informacjami o mechanicznym stresie, co może stanowić system wczesnego ostrzegania dla sąsiadujących osobników. Co istotne, grzyby nie są jedynie biernym medium. Badacze stawiają hipotezę, że mogą one „podsłuchiwać” sygnały i na nie reagować lub nawet je modyfikować. Modułowa budowa całego systemu przypomina zaś trochę sieci neuronowe.

Relacje mikoryzowe bywają niezwykle specyficzne. Niektóre grzyby, jak muchomor czerwony, tworzą obligatoryjne związki tylko z korzeniami określonych gatunków drzew, np. brzóz lub świerków. Inne, jak wiele grzybów arbuskularnych, są „generalistami” i wchodzą w symbiozę z wieloma roślinami jednocześnie, stając się swoistymi „hubami” w podziemnej sieci.

Ta sieć służy nie tylko do komunikacji, ale i do redystrybucji zasobów – badania pokazują, że drzewa „matki” mogą przesyłać cukry swojemu potomstwu właśnie za pośrednictwem strzępek grzybni, a gatunki takie jak orchidee są wręcz całkowicie zależne od „kredytu” cukrowego od grzybów przez całe swoje życie. Komunikacja między partnerami odbywa się za pomocą chemicznego języka – plantish (roślinnego) i fungish (grzybowego) – obejmującego cząsteczki sygnałowe, takie jak strigolaktony wysyłane przez rośliny, które stymulują wzrost i rozgałęzianie się grzybni, oraz lipochitooligosacharydy wysyłane przez grzyby. To jak wysłanie przez roślinę zaproszenia na występ (w języku plantish) i otrzymanie potwierdzenia wraz z informacją (w języku fungish), co grzyb potrzebuje do tego występu.

Jak się coś takiego mapuje? Dotychczasowe badania były niczym pojedyncze odwierty – precyzyjne, ale dające punktowy obraz. Teraz, dzięki globalnemu wysiłkowi, w tym udziałowi inicjatyw badawczych GlobalFungi, GlobalAMFungi i Global Soil Mycobiome consortium, udało się stworzyć pierwszą tak szczegółową mapę podziemnego imperium. I tu wracamy do artykułu z „Nature”, od którego rozpoczęliśmy. Zespół Van Nulanda wykorzystał algorytmy uczenia maszynowego do przeanalizowania ogromnego zbioru danych: 25 tys. próbek gleby z całego świata, zawierających ponad 2,8 mld sekwencji DNA grzybów. To największa jak dotąd próba opisania i zrozumienia tego ukrytego wymiaru bioróżnorodności.

Najważniejsze było nie tylko zebranie danych, ale i sposób ich opracowania. Naukowcy musieli użyć nieco innych metod dla dwóch głównych typów grzybów, które różnią się sposobem tworzenia mikoryzowych połączeń. Dla bardziej powszechnych, starszych ewolucyjnie i genetycznie bardziej podobnych grzybów arbuskularnych (AM; te grzyby wnikają do wnętrza komórek korzeni roślin) zastosowali precyzyjne techniki, pozwalające rozróżnić nawet bardzo blisko spokrewnione gatunki. Dla niezwykle zróżnicowanych grzybów ektomikoryzowych (EcM; komórki tych grzybów oplatają korzenie roślin, ale do nich nie wnikają) – skupili się na grupowaniu ich w szersze kategorie, co lepiej oddaje skalę ich bogactwa. Ta różnica w metodach odzwierciedlała fundamentalną biologiczną odmienność obu grup.

Dzięki zaawansowanym statystycznie metodom udało się oszacować bogactwo gatunkowe nawet dla słabo poznanych regionów. Efekt? Pierwsze, wysokorozdzielcze mapy globalnego zróżnicowania mikoryz. Otrzymaliśmy niespotykanie szczegółowy obraz tego, co kryje się pod powierzchnią gleby na całej planecie.

Zajrzyjmy do tych map. Ta, na której przedstawiono mikoryzę arbuskularną (AM), prezentuje wyraźny gradient szerokości geograficznej, czyli klasyczny wzór spadku różnorodności biologicznej w miarę oddalania się od równika ku biegunom. Najwyższą różnorodność odnotowano w ekosystemach równikowych – wilgotnych lasach tropikalnych Amazonii, Basenu Konga oraz Azji Południowo-Wschodniej. Wysoką różnorodność odnotowano również w chińskich lasach szerokolistnych, porośniętych m.in. dębami, bukami, klonami i magnoliami, oraz na sawannach brazylijskiego ekoregionu Cerrado.

Odwrotny trend ukazują mapy dla grzybów ektomikoryzowych (EcM), a to zapewne zainteresuje grzybiarzy, bo mowa tu m.in. o kurkach i maślakach. Najbogatsze przyrodniczo ekosystemy znajdują się w północnych szerokościach geograficznych. Hotspotami różnorodności, tj. obszarami o wyjątkowo wysokim bogactwie gatunkowym, są rozległe borealne lasy iglaste Syberii i Kanady, a także górskie lasy strefy umiarkowanej na zachodzie USA oraz w Europie Środkowej. Na półkuli południowej centrami różnorodności EcM są Andy, południowe Chile, wschodnie wybrzeże Australii oraz Nowa Zelandia. Modele przewidują, że te północne i południowe ekosystemy lasów mieszanych i iglastych mogą mieścić średnio ponad 100 gatunków grzybów EcM na 100 m kw.

Dla grzybów AM najważniejszymi prognostykami bioróżnorodności były wyższe temperatury oraz antropogeniczna modyfikacja krajobrazu. Zaskakująco obszary o większym wpływie człowieka (użytki rolne, tereny zarządzane) przewidywały ich wyższe zróżnicowanie. Dla EcM kluczowym czynnikiem była biomasa roślinna nadziemna (odzwierciedlająca obecność lasów) oraz zasoby węgla organicznego w glebie.

Zatem mapy te dowodzą, że różnorodność roślin nie jest prostym wskaźnikiem różnorodności grzybów mikoryzowych. Gdy na równiku roślinność osiąga szczyt bioróżnorodności, grzyby EcM są tam ubogie, i vice versa. To fundamentalny wniosek dla globalnych polityk ochrony przyrody, które często opierają się wyłącznie na wskaźnikach nadziemnych, pomijając całkowicie ten ukryty, podziemny wymiar życia.

Wnioski płynące z opublikowanych w „Nature” map mają też wymiar bardzo praktyczny, a jednocześnie alarmujący. Okazuje się, że najbogatsze, najcenniejsze „podziemne metropolie” grzybów mikoryzowych są najbardziej narażone. Tylko 9,5 proc. hotspotów znajduje się na obszarach chronionych. Dla kluczowych dla większości roślin lądowych grzybów AM wskaźnik ten wynosi zaledwie 5,1 proc. Tworzymy więc system rezerwatów, który częściej chroni „elewację” ekosystemu – kapelusze i wizerunki gatunków – zamiast zabezpieczyć jego podziemny „szkielet” i sieci relacji.

Co więcej, modele ujawniły zaskakującą prawidłowość. Hotspoty podziemnej bioróżnorodności często nie pokrywają się z obszarami, które chronimy ze względu na występujące tam zagrożone gatunki roślin czy zwierząt. Nasze parki narodowe i rezerwaty koncentrują się na tym, co widać gołym okiem, tymczasem najbogatsze glebowe społeczności grzybów rozwijają się w ekosystemach, które często umykają uwadze ekostrażników. Dla porównania, bogactwo gatunkowe roślin naczyniowych jest chronione w 27 proc., a kręgowców w 33-41 proc.

Uzupełnieniem będzie mapa endemizmu, czyli „rzadkości gatunkowej”. Pokazuje ona nie to, ile gatunków żyje w danym miejscu, a to, jak unikalne i nigdzie indziej niewystępujące są to gatunki. To właśnie one są najbardziej narażone na wyginięcie. I tu kolejna niespodzianka: centrami endemizmu grzybów AM są tropikalne lasy Konga i Amazonii (gdzie występuje także mnóstwo unikalnych gatunków zwierząt i roślin), grzyby EcM mają zaś swoje unikalne ostoje w odległej tundrze oraz w izolowanych, górskich lasach deszczowych Azji. To obszary o długiej stabilności klimatycznej, które działały jak ewolucyjne „arki”, przechowując unikalne genetyczne dziedzictwo. Z map wynika również, że istniejące obszary ochronne są wytyczone nierównomiernie. W Azji, gdzie występują kluczowe hotspoty dla obu typów mikoryz, jeśli już wytyczono tereny objęte opieką prawną, rygor zachowania jest niewielki (np. funkcjonują tam jedynie parki krajobrazowe).

Mamy więc pierwszą w historii mapę drogową dla ochrony najstarszej sieci komunikacyjnej Ziemi. Dowodzi ona, że nie można opiekować się przyrodą i kierować się wyłącznie wskaźnikami dla świata widzialnego. Cele takie jak „30x30” (objęcie 30 proc. powierzchni Ziemi ochroną do 2030 r.) muszą uwzględniać także podziemną bioróżnorodność.

I jasny przekaz. Chcesz chronić las? Musisz chronić jego niewidzialny szkielet.

Skontaktowaliśmy się z dr. Olehem Prylutskyjem – jednym ze współautorów omawianego artykułu z „Nature”. Prylutskyj pracował w rezerwacie Askania Nowa – reliktowym fragmencie stepu nadczarnomorskiego, który od 2022 r. jest pod rosyjską okupacją. Dowody świadczą o niszczycielskich skutkach tej obecności, dlatego zapytaliśmy Prylutskyja o losy grzybów podczas wojny.

– Na razie nie dysponujemy wiarygodnymi, ustandaryzowanymi danymi o wpływie działań wojennych na grzyby glebowe – odpowiedział. Jego zespół przeprowadził jednak w 2023 r. kompleksowy, ustandaryzowany pobór próbek gleby z dostępnych terenów Ukrainy – w tym z dna osuszonego Zbiornika Kachowskiego – i z tych próbek wyizolowano DNA grzybów. Materiał został zsekwencjonowany; trwa analiza, a pierwsza publikacja jest w przygotowaniu. Jednak na podstawie dotychczasowych obserwacji badacze mogą stwierdzić, że najbardziej prawdopodobnymi zagrożeniami są chemiczne skażenia gleby produktami eksplozji oraz masowa utrata drzewostanu w dolinie Siewierskiego Donca, w obwodach charkowskim, donieckim i ługańskim. Te hipotezy będzie można zweryfikować dopiero po uzyskaniu bezpiecznego dostępu do terenów i powtórnym, kontrolowanym poborze próbek.

Ukraińskie powiedzenie brzmi: „Jedz barszcz z grzybami i trzymaj język za zębami” – dziś jednak powinniśmy postąpić odwrotnie. Jeśli chcemy mieć jutro co zbierać do koszyków, musimy już dziś głośno wołać o ochronę podziemnego życia.