Śluzak roślin psiankowatych – naukowcy odkryli cztery wąskie gardła dla bakterii w pomidorze

Ralstonia solanacearum jest odglebową bakterią o niszczycielskim działaniu na wiele roślin psiankowatych, takich jak pomidor czy ziemniak. Występowanie choroby prowadzi do więdnięcia  roślin, początkowo przypominające skutki niedoborów wody. Choroba przysparza wielu problemów producentom na całym świecie. Naukowcy z Centrum Badań Genomiki Rolniczej w Barcelonie (CRAG) oraz z Uniwersytetu Karoliny Północnej (USA) dzięki monitorowaniu rozprzestrzeniania się infekcji w żywych roślinach odkryli 4 fazy czasoprzestrzenne, w których rośliny powstrzymują ekspansję bakterii; w systemie korzeniowym, w czasie transportu z korzeni do pędów, podczas dyfuzji między wiązkami naczyniowymi i, co zaskakujące, w trakcie kolonizacji bakterii wokół tkanki otaczającej naczynia.

Jak wyjaśnia Nuria Sanchez Coll z CRAG R. solanacearum, podobnie jak inne patogeny naczyniowe, stanowi poważny problem, ponieważ dotychczasowe wysiłki zmierzające do odkrycia genów determinujących odporność roślin na te patogeny nie przyniosły spodziewanych efektów i wskazują, że odporność ta jest determinowana przez interakcję różnych genów. Dlatego właśnie tak ważne było cofnięcie się w badaniach o krok i zrozumienie, w jaki sposób bakteria zachowuje się w podatnych na chorobę roślinach, a jak w tych odpornych. „Można to porównać do badań nad lekiem na Covid-19. Wiemy, ze wirus atakuje płuca, ale także nerki i inne organy, komórki. Wiemy też, że są ludzie bardziej i mniej podatni. W przypadku Ralstonia także musieliśmy zrozumieć w jaki sposób patogen przenosi się z jednego narządu do drugiego, jak zachowuje i przemieszcza się on w roślinie”. Praca ta stwarza podstawy do rozszyfrowania mechanizmów molekularnych, które ograniczają kolonizację patogenów przez roślinę. Ma ona zapewnić nowe precyzyjne narzędzia do zwalczania choroby w hodowli pomidorów.

Mechanizm porażenia R. solanacearum

1. solanacearum z uwagi na ilość porażanych gatunków, szeroki zasięg geograficzny oraz trwałość w glebie i wodzie, uważana jest za jeden z groźniejszych patogenów. Choroba, którą wywołuje jest endemiczna na obszarach tropikalnych i subtropikalnych. Jeden ze szczepów został sklasyfikowany jako biowar 2 rasy 3 (R3bv2). Jest on szczególnie agresywny dla roślin żywicielskich i może skutecznie je porażać w klimatach chłodniejszych. Pewne ogniska R3bv2, zgłoszone w Unii Europejskiej, zostały sklasyfikowane jako szkodniki kwarantannowe i podlegają ścisłemu nadzorowi.

Zakażenie R. solanacearum jak wcześniej wspomniano powoduje więdnięcie bakteryjne. Obecny w glebie patogen zostaje wchłaniany przez korzenie rośliny i zaczyna kolonizować tkanki przenoszące w górę rośliny wodę i sole mineralne. Porażone naczynia tworzą pewnego rodzaju „korek” blokujący przepływ substancji do nadziemnych organów rośliny, co powoduje szybkie więdnięcie i ostatecznie zamieranie. Mechanizm porażania jest taki sam, jak w przypadku innych patogenów porażających ksylem rośliny, przykładem jest bakteria Xylella fastidiosa.

Zdecydowana większość komercyjnych odmian pomidorów, to rośliny podatne na R. solanacearum. W regionach o dużym nasileniu występowania choroby, powszechnym ratunkiem jest stosowanie odmian szczepionych na odpornych na patogen podkładkach. Takie rozwiązanie stosują m.in. rolnicy z Karoliny Północnej, gdzie choroba powoduje znaczne straty w plonach już od pół wieku. „Pomimo znacznej poprawy odporności odmian linii hodowlanych pomidorów, połączenie jakości owoców pomidorów z odpornością na więdnięcie bakteryjne, nadal stanowi wyzwanie”, mówi Dilip Panthee, profesor i hodowca pomidorów z Uniwersytetu Stanowego Karoliny Północnej.

W celu lepszego zrozumienia cech rośliny odpowiadających za odporność na R. solanacearum, badacze z Uniwersytetu skontaktowali się z grupą badawczą z CRAG, prowadzoną pod przewodnictwem Vallesa i Sancheza Coll. Współpraca między ekipą przyzwyczajoną do prowadzenia badań w terenie, a grupą ekspertów laboratoryjnych, doprowadziła do odkrycia czterech „wąskich gardeł”, utrudniających bakteriom kolonizację w odpornych odmianach pomidorów.

Cztery wąskie gardła dla bakterii

Aby śledzić in vivo proces infekcji R. solanacearum w roślinie, naukowcy wykorzystali zmodyfikowane bakterie luminescencyjne i fluorescencyjne. Następnie bakteriami tymi zainfekowali komercyjne odmiany pomidorów: bardzo podatne na chorobę, jak Marmande, umiarkowanie podatne (Shield) i pomidory odporne, które są używane do szczepienia (odmiana Hawaii 7996). Obserwując postęp rozprzestrzeniania się agrofaga, naukowcy zauważyli zróżnicowaną zdolność bakterii do infekcji. Jak wyjaśnia Marc Planas-Marques, doktorant UKP i współtwórca artykułu, rośliny odporne wykazywały zdolność do blokowania rozprzestrzeniania się bakterii w czterech różnych punktach, a mianowicie w opisanych wcześniej: korzeniach, miejscu gdzie bakterie rozwijają się, w naczyniach niosących w górę rośliny wodę i sole mineralne, w ruchu poziomym w wiązce naczyń układu naczyniowego oraz w promieniowym ruchu bakterii z naczyń do sąsiednich tkanek. W czasie badań odkryto również, że w przypadku zaawansowanej infekcji bakterie opuszczają naczynie, aby żerować na komórkach kory, co może dać im większą zdolność namnażania i rozprzestrzeniania się.

Dzięki tym badaniom odkryto nowe wskazówki co do sposobu, w jaki patogen powoduje uszkodzenia w roślinach. Poszerzony został kontekst opisujący pola walki z chorobą. W ramach badań opracowano również nowe narzędzia i techniki pomiaru dynamiki rozwoju bakterii. Daje to możliwość połączenia w przyszłości dalszych badań z mechanizmami przyczynowymi genetyki, to znaczy z dziedziczeniem.

Wracając do podobieństwa chorób ludzkich, naukowcy wiedzą teraz, na jakie narządy wpływa patogen i jakie cechy określają najbardziej odpornych gospodarzy. Ważne jest, że prace zostały wykonane w odmianach komercyjnych. W oparciu o wyniki tych badań, przywrócone zostaną prace molekularne i genetyczne, w celu odkrycia genów kontrolujących aspekty oporności, aby w przyszłości uchronić pola i rosnące na nich odmiany pomidorów przed R. solanacearum.