Разновидности бактерий, которые заражают урожай кукурузы, заставляют своих хозяев производить пиршество питательных веществ, которые поддерживают жизнь и процветание патогенов задолго до того, как они начнут убивать клетки растения, как показывают новые исследования.
Исследование молодых растений кукурузы показало, что эти бактерии не только производят пищу для себя на посевах, на которых они населяют, но и вытягивают из растений воду, необходимую для жизнеобеспечения.
Хотя лабораторные условия не совсем точно отражают то, что происходит в полевых условиях, исследование дает представление о фундаментальных процессах, лежащих в основе способности патогена вызывать болезнь кукурузы, распространенную в центральной и северо-восточной части США. С. назвал увядание Стюарта. Эти бактерии также создают проблемы для посевов риса и джекфрута в некоторых частях Восточного полушария.
Подтверждая, что бактериальный фактор вирулентности, белок под названием WtsE, инициирует мобилизацию пищи и воды в пространство, где обитают бактерии, исследование закладывает основу для будущей селекции растений, которые могут затормозить эти бактериальные выживальщики. тактика. Текущие методы селекции кукурузы основаны на предыдущих исследованиях, направленных на усиление иммунного ответа растений на эти инфекционные бактерии, вид, известный как Pantoea stewartii..
«Раньше никто не показывал, что динамический поток питательных веществ от растений к бактериям поддерживает размножение бактерий на начальных стадиях инфекции. Наши результаты показывают безумное питание бактерий», - сказал ведущий автор исследования Дэвид Макки, профессор. садоводства и растениеводства в Университете штата Огайо.
«Не предпринималось целенаправленных усилий по контролю доступности питательных веществ в качестве средства борьбы с Pantoea stewartii или другими патогенными бактериями растений, вирулентность которых зависит от белков, подобных WtsE. Это дает нам возможность взглянуть на механизм того, как WtsE достигает этого. Как он манипулирует растительными клетками?"
Исследование опубликовано сегодня (13 апреля 2022 г.) в Cell Host & Microbe.
Исследование сосредоточено на фазе, называемой биотрофией: после заражения растения бактерии первоначально паразитируют на живых клетках-хозяевах и резко размножаются. Только позже бактерии начинают убивать растительные клетки, чтобы высвободить дополнительные питательные вещества и вызвать заболевание.
В поле кукурузные блошки переносят Pantoea stewartii и откладывают бактерии в местах ран, которые жуки создают, питаясь стеблями и листьями сельскохозяйственных культур. Затем инфекции распространяются с этих сайтов неравномерно.
Для этого исследования Макки и его коллеги инфильтрировали рассаду кукурузы мощной дозой инфекционных бактерий, создав ряд равномерно зараженных листьев. Эта модельная система позволила исследователям определить, что высвобождение питательных веществ и воды предшествовало гибели растительных клеток.
Команда сосредоточилась на наблюдении за действиями WtsE, одного из классов белков патогенных бактерий, известных как эффекторы типа III. Эти белки переносятся из бактерий в инфицированные клетки растений, чтобы как подавить иммунитет растений, так и, как было обнаружено в случае с Pantoea stewartii, повысить доступность воды и пищи.
Вся эта деятельность происходит в апопласте, относительно сухом компартменте внутри растительной ткани, но вне растительных клеток. Эта сухость актуальна, потому что одна из уловок WtsE - продвигать доступность воды в этом пространстве. Ведущая гипотеза заключалась в том, что это состояние, называемое «замачиванием водой», возникает в результате того, что умирающие растительные клетки выплескивают свое содержимое в апопласт, когда бактерии начинают свою смертельную атаку.
«Это один из основных моментов, которые мы показали: инфекция вызывает накопление воды в апопласте задолго до того, как клетки растения погибнут. Это активный процесс, и он зависит от эффектора WtsE», - сказал Макки. профессор молекулярной генетики.
И затем, будучи гидратированным, апопласт начинает наполняться питательными веществами, которые функционируют как источники азота и углерода для бактерий - сахарами, аминокислотами и органическими кислотами, которые вырабатываются и потребляются в гораздо больших количествах, чем существуют в организме. апопласт здорового растения.
Исследователи подтвердили огромный размер пиршества, удалив бактерии с растений и измерив, сколько углерода и азота они усвоили за определенный период времени, что было в 6 и 30 раз выше, соответственно, чем которые присутствуют в апопласте неинфицированного растения.
«Это не похоже на то, что бактерии прибыли и съели то, что уже было доступно», - сказал Макки. «Растения отказываются от источников углерода и азота в апопласте, где они ассимилируются бактериями. Кроме того, метаболические сети растений реагируют на истощение, создавая больше этих соединений. Это действительно динамичный процесс, и эффектор WtsE управляет этим процессом.."
Роль эффектора была подтверждена генетически - мутантные бактерии, лишенные WtsE, не могли выполнять те же задачи.
Благодаря этим выводам лаборатория Макки теперь готова точно определить, как WtsE может заставить кукурузу выполнять свои приказы - и, в частности, какие растительные белки захватывает эффектор для помощи - что может помочь в будущих методах устойчивой селекции.
Соавторы включают Ирэн Генцель, Лору Гиз, Гаяни Эканаяке, Келли Михаил и Ванин Чжао, все из штата Огайо, а также Жан-Кристоф Кокурон и Ана Паула Алонсо из Университета Северного Техаса.