Коменсальні бактерії Pseudomonas на листках рослин різушок Таля проявили захисний вплив стосовно патогенних штамів Pseudomonas. Вони посилюють імунну реакцію рослини, завдяки чому та вибірково може пригнічувати патогенних мікробів, не зачіпаючи інших. Однак значною мірою вплив коменсальних Pseudomonas залежить від генетичних особливостей самої рослини, зазначається в журналі Nature Ecology & Evolution. Відкриття може посприяти способам боротьби з хворобами рослин без використання шкідливих пестицидів.
Бактерії Pseudomonas біля продиху на листку рослини. Sonja Kersten / Max Planck Institute for Biology Tübingen
Що в цьому цікавого?
Як у житті та здоров'ї людини важлива роль належить мікроорганізмам, що живуть з нами в симбіозі на шкірі чи в кишківнику, так і в рослин взаємодія з їхніми мікробами має ключову роль у їхній життєдіяльності. Подібно, симбіоз може мати різний характер — від взаємовигідного мутуалізму до шкідливого для господаря паразитизму, або ж коменсалізму, за якого господар не отримує від бактерії шкоди, але й вигоди не завжди. Часто вплив окремого мікроорганізму залежить від його чисельності. Наприклад, якщо у незначних кількостях він має корисні властивості, то у великих може спричиняти захворювання. Однак тут вагома роль належить ще й взаємодіям між самими мікробами. Зокрема, вони можуть обмежувати розмноження одне одного.
Кілька років тому науковці описали мікробні популяції на листках дикої різушки Таля (Arabidopsis thaliana), добре вивченої рослини, яка є модельним організмом. З'ясувалося, що серед тих мікробів часто зустрічається у значній кількості бактерія Pseudomonas, яка є патогенною для рослин. Однак збудника ізолювали із листків різушок, які візуально виглядали цілком здоровими. Це означає, що на патогенність бактерії впливають якісь додаткові чинники, через які не всі рослини хворіють при інфікуванні нею. Тоді припустили, що цим може бути поселення на листках іншої бактерії Pseudomonas, яка не має явного впливу на здоров'я рослини, тобто є коменсальною. Тому в новій роботі науковці Інституту біології Макса Планка в Тюбінгені вирішили продовжити вивчення та уточнити ефект цих бактерій на свого хазяїна.
Як вивчали вплив бактерій на рослину?
Дослідники перевірили вплив кожної з цих бактерій — патогенної та нейтральної — на штучно вирощених різушках Таля шести генотипів. Для цього рослин через 21 день після посіву обприскували заздалегідь культивованими мікробами — 14 найпоширенішими в природі ізолятами Pseudomonas, яких зібрали з диких рослин. Одну групу різушок обробили лише коменсальними Pseudomonas, другу — лише патогенними, третю — сумішшю обох бактерій, а четверту, контрольну — неактивним розчином без мікробів. Так вчені хотіли зімітувати природну ситуацію, коли бактерії заносяться на листки вітром та дощем. Оскільки усі 14 ізолятів нанесених мікробів попередньо генетично ідентифікували, то, спостерігаючи за рослинами протягом 12 наступних днів, можна було дослідити, як бактерії взаємодіють між собою та як це впливає на здоров'я самого господаря.
Що вдалося дізнатися таким чином?
З'ясувалося, не лише бактерії впливають на своїх господарів, а й навпаки — генетичні особливості різушок відповідали за 5-12 відсотків відмінностей у мікробному складі їхніх листків. І це позначилося й на впливі мікробів.
Так, різушки, які були інфіковані лише патогенними бактеріями, протягом експериментального періоду зростали помітно повільніше за контрольних, і тому маса їхніх листків була зменшеною. Спочатку вчені припустили, що річ може бути не в самій інфекції, а в молекулах, пов'язаних зі збудниками, у розчині для оброблення. Проте, коли рослин обприскали вже вбитими бактеріями, зменшення маси було незначним, і спостерігалося в рослин трьох генотипів із шести.
Натомість різушки, оброблені лише коменсальними Pseudomonas, зростали трохи швидше, а відповідно й мали більшу масу свіжих листків. Цей ефект виявився не залежним від генотипу рослини. Науковці вважають, що це може пояснюватися як безпосередньою стимуляцією росту бактеріями, так і їхнім захистом від інших патогенів. На користь останнього вказує і те, що різушки, на чиї листки нанесли і патогенних, і непатогенних бактерій, зростали подібно до контрольних. Ймовірно, коменсальні бактерії знешкоджували негативний вплив своїх шкідливих родичів. Але рослин одного з генотипів коменсальні бактерії не врятували, й вони так само погано зростали, якби мали лише патогенних бактерій.
Вага листків рослин різних генотипів, оброблених неактивним розчином (сірий), патогенами (помаранчевий), коменсалами (зелений), сумішшю патогенів та коменсалів (фіолетовий). Or Shalev et al. / Nature Ecology & Evolution, 2022
Крім цього, кількість патогенних Pseudomonas у змішаній групі була суттєво нижча, ніж у групі лише патогенів. Натомість кількість коменсальних Pseudomonas у змішаній групі була такою ж, або навіть трохи більшою, ніж у групі лише непатогенних бактерій. Досліди з культурами бактерій показали, що два штами коменсальних Pseudomonas пригнічують усі патогенні штами, окрім одного — того, що на листках рослин виявляється найменш численним. А крім цього пригнічують два штами нейтральних Pseudomonas, які, утім, не пригнічуються на рослинах. Тобто результати, отримані з дослідів на рослинах та in vitro, не збігаються.
Подальші вивчення експресії генів різушок показали, що корисні бактерії не лише можуть самостійно пригнічувати шкідливих, а й пов'язані зі змінами в рослин експресії генів, які залучені до імунних реакцій. При цьому запущена ними імунна відповідь рослини, схоже, вибіркова й націлюється лише на патогенних Pseudomonas.
Подібні дослідження не лише дають змогу краще зрозуміти взаємодії живих організмів, а й можуть призвести до практичних результатів. Автори вважають, що вони посприяють розробленню нових методів боротьби із хворобами рослин, завдяки чому можна буде зменшити використання токсичних пестицидів.