Почва, на которой растут поля, изобилует жизнью. Неисчислимое количество бактерий и грибков стремится к пространству и пище. Большинство безвредны. Многие из них жизненно важны для создания здоровой почвы. Но фермеры беспокоятся о нескольких видах, которые вызывают разрушительные болезни сельскохозяйственных культур, и они часто обращаются к химическим пестицидам, чтобы держать эти патогены под контролем.
Новое исследование показывает, как некоторым из этих вредных микробов приходится бороться не только с химическими атаками фермера, но и со своими микроскопическими соседями - и сами прибегают к химическому оружию, чтобы отразить угрозы.
Профессор медицинской микробиологии и иммунологии Университета Висконсин-Мэдисон Нэнси Келлер много лет изучает скрытый мир почвенных патогенов, прислушиваясь к химическим сигналам, которые они посылают друг другу. Последнее исследование ее команды расшифровывает один из этих сигналов. Когда вид бактериального увядания Ralstonia solanacearum пытается заразить грибковый возбудитель Fusarium fujikuroi, грибок отвечает множеством антибактериальных соединений, чтобы держать захватчика в страхе.
Это исследование - лишь малая часть усилий, направленных на то, чтобы пролить свет на таинственные микробные сообщества под нашими ногами. Как и в случае с микробиомом животных, исследователи пытаются выяснить, какие микробы обитают в почве, какие сообщения они посылают и что означают эти сигналы. Лучшее понимание этих богатых сообществ, вероятно, поможет ученым реагировать на постоянные угрозы, с которыми сталкиваются сельскохозяйственные культуры со стороны этих микробов.
Работа опубликована 22 мая в журнале mBio. Келлер сотрудничал с исследователями из Корнельского университета, Иллинойсского университета в Чикаго и Вестфальского университета Вильгельма в Германии.
«Ralstonia является смертельным патогеном увядания во всем мире и поражает более 200 растений», - говорит Келлер, который также работает на кафедре бактериологии и является инструктором по патологии растений. Виды Fusarium являются основной причиной грибкового увядания сельскохозяйственных культур. Оба микроба могут колонизировать одного и того же хозяина, например растения помидоров.
Келлер впервые начал изучать взаимодействие бактерий и грибков после нескольких случайных встреч. Когда споры грибка в ее лаборатории попали в чашки Петри, где выращивались бактерии в соседней лаборатории Кейтилин Аллен, профессора патологии растений, несколько студентов заметили, что два микроба, похоже, конкурируют и взаимодействуют.
Годы спустя более тщательное изучение показало, что Ralstonia может побуждать близлежащие грибы к образованию отличительных, выносливых структур, называемых хламидоспорами, которые помогают грибку пережить стресс. Затем бактерии вторгаются в эти споры, вероятно, чтобы пережить зиму. Лаборатория Келлера опубликовала эти выводы в 2016 году.
Они также заметили, что хламидоспоры приобрели уникальный оттенок ржаво-красного в грибах рода Fusarium. В текущем исследовании они идентифицировали это красное соединение как бикаверин, химическое вещество, которое помогает грибку сопротивляться заражению бактериями.
Команда Келлера показала, что Ralstonia выделяет соединение, которое вызывает у видов Fusarium развитие хламидоспор. Затем грибок производит набор антимикробных агентов, в том числе красный бикаверин, для защиты этих спор от вторжения. Когда ученые лишили грибок способности производить бикаверин, Ralstonia более успешно вторглась в грибок.
Fusarium - не единственный грибок, который может производить бикаверин. Неродственный вид, также повреждающий патоген растений, известный как Botrytis cinerea, приобрел механизм производства бикаверина от Fusarium в результате древнего генетического переноса. При воздействии того же бактериального соединения, которое производит хламидоспоры в Fusarium, Botrytis также производит структуры. И Botrytis также начал производить бикаверин, предположительно, из-за его противомикробного действия.
Что удивило исследователей, так это то, как Ralstonia может индуцировать бикаверин у двух видов грибов независимо от окружающей среды. Обычно Fusarium и Botrytis производят красный пигмент в очень разных условиях, в основном в зависимости от доступных питательных веществ. Но угроза вторжения, исходящая от Ralstonia, перечеркнула эти различия, побудив оба гриба защищаться с помощью бикаверина.
Эти наступательные и оборонительные маневры «призыв и ответ», безусловно, являются лишь небольшой частью химических сигналов, передаваемых между микробами, скрытыми от глаз, говорит Келлер. Целый оркестр бактерий и грибков постоянно издает симфонию этих посланий. Расшифровать значение - задача ученых.
«То, как эти микробы взаимодействуют и разговаривают друг с другом, все еще находится в зачаточном состоянии», - говорит Келлер. «Мы действительно не знаем, как они разговаривают друг с другом. И это то, к чему мы стремимся в нашей лаборатории».