Bakterie zakaźne zmuszają rośliny-gospodarzy do odżywiania się nimi

 Bakterie dysponują nie tylko narzędziami do zwalczania mechanizmów obronnych roślin, ale patogeny mogą również próbować nakłonić rośliny do podawania wody i pożywienia, aby wspomóc atak.

Jak wynika z najnowszych badań Irene Gentzel i współpracowników, gatunek bakterii infekujących uprawy kukurydzy zmusza swoich gospodarzy do produkowania uczty składników odżywczych, które utrzymują patogeny przy życiu i rozkwicie na długo przed tym, jak zaczną one zabijać komórki roślin. Badania przeprowadzone na młodych roślinach kukurydzy wykazały, że bakterie te nie tylko wytwarzają pożywienie dla siebie w zasiedlanych przez siebie uprawach, ale także pobierają od roślin wodę podtrzymującą życie.

Chociaż warunki laboratoryjne nie odzwierciedlają dokładnie tego, co dzieje się na polu, badania dostarczają wgląd w podstawowe procesy kluczowe dla zdolności patogenu do wywoływania choroby kukurydzy rozpowszechnionej w środkowych i północno-wschodnich Stanach Zjednoczonych, zwanej więdnięciem Stewarta. Bakterie te stwarzają również problemy w uprawach ryżu i owoców chlebowca w niektórych częściach półkuli wschodniej.

Potwierdzając, że bakteryjny czynnik wirulencji, białko o nazwie WtsE, inicjuje mobilizację żywności i wody do przestrzeni, w których przebywają bakterie, badania te dają podstawy do przyszłej hodowli roślin, które mogą powstrzymać taktykę przetrwania bakterii. Obecne praktyki hodowlane w kukurydzy opierają się na wcześniejszych badaniach, które koncentrowały się na zwiększeniu odporności roślin na te zakaźne bakterie, z gatunku znanego jako Pantoea stewartii.

W swoim artykule Gentzel i współpracownicy piszą: "Oprócz dostępności wody, dla wzrostu patogenów roślinnych decydujące znaczenie ma pozyskiwanie składników odżywczych. Podczas biotrofii niektóre patogeny grzybowe i oomycete pozyskują składniki odżywcze poprzez tworzenie haustorii, struktur żernych, które zapewniają intymny kontakt poprzez inwazje do żywych komórek roślinnych. Z kolei patogeny nekrotroficzne pozyskują składniki pokarmowe z obumierających i martwych komórek roślinnych. W przypadku bakterii hemibiotroficznych nie jest jasne, czy składniki odżywcze dostępne w apoplaście niezainfekowanej rośliny są wystarczające do podtrzymania wysokiego poziomu proliferacji obserwowanego podczas biotroficznej fazy infekcji, która poprzedza nekrozę."

Naukowcy postanowili sprawdzić, czy bakterie nie tylko próbują wykorzystywać narzędzia biochemiczne do osłabiania mechanizmów obronnych roślin, ale także do wspierania dostarczania patogenom składników odżywczych.

Główny autor badań, profesor ogrodnictwa i nauk o roślinach na Uniwersytecie Stanowym Ohio, David Mackey, powiedział w komunikacie prasowym: "Nikt wcześniej nie wykazał, że dynamiczny przepływ składników odżywczych z rośliny do bakterii wspiera proliferację bakterii w początkowych stadiach infekcji. Nasze odkrycia ujawniają bakteryjne szaleństwo żerowania".

"Nie podejmowano dotychczas żadnych ukierunkowanych wysiłków w celu kontrolowania dostępności składników odżywczych jako sposobu zwalczania Pantoea stewartii lub innych bakterii patogennych dla roślin, których wirulencja opiera się na białkach podobnych do WtsE. Otwiera to przed nami możliwość przyjrzenia się mechanizmowi, w jaki sposób WtsE to osiąga. W jaki sposób manipuluje on komórkami roślinnymi?".

Badania, opublikowane w Cell Host & Microbe, koncentrują się na fazie zwanej biotrofią: Po zainfekowaniu rośliny bakterie początkowo pasożytują na żywych komórkach gospodarza i gwałtownie się rozmnażają. Dopiero później bakterie zaczynają zabijać komórki roślinne, aby uwolnić dalsze składniki odżywcze i wywołać chorobę.

Na polu chrząszcze pchełki kukurydzianej przenoszą bakterię Pantoea stewartii i umieszczają ją w miejscach ran, które chrząszcze tworzą podczas żerowania na łodygach i liściach roślin. Z tych miejsc infekcje rozprzestrzeniają się nierównomiernie.

W tym badaniu, Mackey i współpracownicy infiltrowali siewki kukurydzy potężną dawką bakterii zakaźnych, tworząc serię jednolicie zainfekowanych liści. Ten modelowy system umożliwił badaczom stwierdzenie, że uwolnienie składników odżywczych i wody poprzedza śmierć komórek roślinnych.

Zespół skupił się na obserwacji działania WtsE, jednego z klasy białek występujących u bakterii chorobotwórczych, zwanych efektorami typu III. Białka te są transportowane z bakterii do zainfekowanych komórek roślinnych, aby zarówno tłumić odporność roślin, jak i - co odkryto w przypadku Pantoea stewartii - zwiększać dostępność wody i pożywienia.

Wszystkie te działania mają miejsce w apoplaście, stosunkowo suchym przedziale znajdującym się wewnątrz tkanki roślinnej, ale poza komórkami roślinnymi. Ta suchość jest istotna, ponieważ jedną z sztuczek WtsE jest zwiększanie dostępności wody w tej przestrzeni. Główna hipoteza głosi, że ten stan, zwany "nasiąkaniem wodą", wynika z tego, że umierające komórki roślinne wylewają swoją zawartość do apoplastu, gdy bakterie rozpoczynają swój śmiertelny atak.

"Jest to jeden z głównych punktów, które wykazaliśmy: Infekcja powoduje gromadzenie się wody w apoplaście na długo przed zabiciem komórek roślinnych. Jest to proces aktywny i zależny od efektora WtsE" - powiedział Mackey.

Następnie, po uwodnieniu, apoplast zaczyna wypełniać się składnikami odżywczymi, które służą bakteriom jako źródło azotu i węgla - cukrami, aminokwasami i kwasami organicznymi, które są wytwarzane i zużywane w znacznie większych ilościach niż w apoplaście zdrowej rośliny.

Naukowcy potwierdzili ogromne rozmiary uczty, usuwając bakterie z roślin i mierząc ilość węgla i azotu, jaką pobrały w określonym czasie - była ona odpowiednio 6 i 30 razy większa niż ta obecna w apoplaście niezakażonej rośliny.

"To nie jest tak, że bakterie przybyły i zjadły to, co już było dostępne" - powiedział Mackey. "Rośliny pozbywają się źródeł węgla i azotu do apoplastu, gdzie są one asymilowane przez bakterie. Ponadto sieci metaboliczne roślin reagują na to zubożenie, wytwarzając więcej tych związków. Jest to naprawdę dynamiczny proces, a efektor WtsE napędza ten proces".

Rola efektora została potwierdzona genetycznie - zmutowane bakterie pozbawione WtsE nie były w stanie wykonać tych samych zadań. Dzięki tym odkryciom laboratorium Mackey'a jest teraz w stanie określić, w jaki sposób WtsE jest w stanie zmusić kukurydzę do wykonywania swoich zadań - a konkretnie, które białka roślinne efektor porywa, aby uzyskać pomoc - co może mieć wpływ na przyszłe praktyki hodowli odpornych roślin.

BADANIA ORYGINALNE

Gentzel, I., Giese, L., Ekanayake, G., Mikhail, K., Zhao, W., Cocuron, J.-C., Alonso, A.P. and Mackey, D. (2022) "Dynamic nutrient acquisition from a hydrated apoplast supports biotrophic proliferation of a bacterial pathogen of maize," Cell Host & Microbe, https://doi.org/10.1016/j.chom.2022.03.017

itnews24.pl
itlife.pl
ofio.pl
sport.pl