Научный взгляд: как засоленность почвы повышает чувствительность растений к бактериальным метаболитам

Изменение климата, а именно повышение температуры, будет оказывать большое влияние на рост растений, что почти наверняка скажется на их урожайности. Одним из очевидных последствий потепления является то, что растения в полевых условиях потребуется больше орошения. Однако с увеличением количества поливов увеличивается и засоленность почвы, поскольку таким образом питательные соли накапливаются в сельскохозяйственных почвах.

Изменение климата скажется на здоровье растений, поскольку повлияет на сообщества многочисленных микроорганизмов, которые живут в тесной связи с растениями-хозяевами. Эти сообщества делают растения более выносливыми в условиях стресса и более устойчивыми к патогенным микроорганизмам.

Таким образом, инокуляция определенных бактериальных сообществ в качестве пробиотиков является привлекательной стратегией для сохранения здоровья растений. Для того, чтобы убедиться в эффективности таких инокуляций, необходимо понять, как бактерии и растения взаимодействуют в различных условиях.

Из предыдущих исследований ученых Института Макса Планка по селекции растений и Кёльнского университета стало известно, что около 95% бактерий микробиома растений оказывают положительное или нейтральное влияние на растения кресс-салата. Небольшое количество бактерий в лабораторных условиях наносит вред при выращивании вместе с растениями. Среди них Pseudomonas brassicacearum R401, грамотрицательная бактерия, обитающая в почве и являющаяся доминирующей в растительной микробиоте.

В исследованиях было показано, что солевой стресс может способствовать бактериальному заражению растений. Действительно, когда ученые применили соль, они обнаружили, что в присутствии P. brassicacearum штамма R401 рост растений ухудшился.

Многие грамотрицательные бактерии вызывают вирулентность, выделяя вызывающие болезнь белки непосредственно в цитоплазму клетки-хозяина. Однако при изучении генома R401 не удалось обнаружить генов, кодирующих этот инъекционный аппарат. Кроме того, многие патогенные бактерии разрастаются на растениях-хозяевах и используют стратегии, направленные на подавление иммунных реакций растений.

Исследователи выявили ген, схожий с генами родственных бактерий, кодирующие фитотоксичные метаболиты, который назвали брассикапептином, и мутировали один из его участков. Этой мутации оказалось достаточно, чтобы превратить P. brassicacearum штамм R401 в полезную для растений бактерию.

В дальнейших экспериментах ученые показали, что в сочетании с высоким содержанием соли брассикапептин сам по себе достаточен для того, чтобы вызывать болезни растений. Кроме того, брассикапептин оказался токсичным не только для растений кресс-салата, но и для томатов, испытывающих солевой стресс, а также для других микрорганизмов.

Исследователи смогли показать, что молекула брассикапептина образует поры в растительных мембранах, что объясняет, почему токсичность молекулы становится очевидной, когда растения испытывают солевой стресс. Таким образом, молекула бактериального метаболита одновременно сенсибилизирует растения к осмотическому стрессу, помогает способности бактерий колонизировать корни и препятствует росту бактериальных и грибковых конкурентов.

Результаты исследований позволят в дальнейшем разрабатывать эффективные биологические препараты для защиты растений.

Во всероссийском центре карантина растений Россельхознадзора (ФГБУ «ВНИИКР») проводят исследования по поиску и оценке различных микроорганизмов в качестве агентов биологической борьбы. Ряд грибов и бактерий оказывают негативное воздействие на рост и развитие карантинных вредных организмов, что может лечь в основу новых биопрепаратов.

Источник: Felix Getzke et al, Physiochemical interaction between osmotic stress and a bacterial exometabolite promotes plant disease, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48517-5