En samarbetsstudie mellan forskare från Max Planck Institute for Plant Breeding Research och Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology har visat hur en enda metabolit kan göra bakterier toxiska för växter under höga saltförhållanden.
Deras resultat, publicerade i Nature Communications kan ha viktiga konsekvenser för jordbruket och växtskyddet i föränderliga klimat.
Klimatförändringar, och särskilt stigande temperaturer, kommer att belasta växternas tillväxt och kommer nästan säkert att påverka växtproduktionen. En uppenbar konsekvens av ett varmare klimat är att växter på fältet kommer att kräva mer bevattning. Med mer vattning kommer dock också mer salthalt eftersom näringssalter på så sätt ackumuleras i jordbruksjordar.
Klimatförändringar kommer också att påverka växternas hälsa genom vad det gör med de samhällen som består av många mikroorganismer som lever i intim förening med växtvärdar. Dessa samhällen gör växter hårdare inför stressiga förhållanden och mer motståndskraftiga mot patogena mikrober.
Sålunda är ympning med definierade bakteriesamhällen som probiotika en attraktiv strategi för att skydda växternas hälsa. Men för att säkerställa att dessa inokula är effektiva är det nödvändigt att förstå hur bakterier och växter interagerar under olika förhållanden.
Från tidigare experiment visste medkorrespondentförfattaren Stéphane Hacquard, som är baserad vid Max Planck Institute for Plant Breeding Research i Köln, Tyskland, och hans kollegor att cirka 95 % av bakterierna som finns i växtmikrobiota är antingen neutrala eller fördelaktiga i en -på-en-interaktioner med krasseväxter.
Ett litet antal är dock skadliga när de odlas tillsammans med växter under laboratorieförhållanden, bland dem Pseudomonas brassicacearum R401, en gramnegativ bakterie som finns i jord som är en dominerande medlem av växtmikrobiotan.
Men överraskande nog, när denna bakterie odlades tillsammans med växter under naturliga markförhållanden, observerades ingen sjukdom. Detta tyder på att bakterien kräver specifika förhållanden för att orsaka sjukdomar på jordodlade växter.
Vissa tidigare rapporter hade visat att saltstress kan underlätta bakterieinfektion av växter. När forskarna använde salt fann de faktiskt att växttillväxten påverkades negativt i närvaro av R401-stammen.
Många gramnegativa bakterier orsakar virulens genom att injicera sjukdomsframkallande proteiner direkt i värdcellens cytoplasma. Inspektion av R401-genomet kunde dock inte avslöja några gener som kodade för denna injektionsapparat. Dessutom växer många patogena bakterier över på sin växtvärd och använder strategier för att dämpa växternas immunsvar. Återigen, R401 gjorde ingen av dessa saker.
För att förstå hur R401-stammen orsakar sjukdomar i jordodlade växter som utsätts för saltstress, slog Hacquard och hans grupp ihop med Till Schäberles naturliga produktgrupp vid Justus-Liebig-universitetet och Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology i Giessen .
Tillsammans identifierade forskarna gener som visade likhet med gener från relaterade bakterier som kodar för fytotoxiska metaboliter. De isolerade den förutsagda metaboliten, som de kallade brassicaeptin, och muterade en av kärngenerna som krävdes för dess syntes. Denna mutation var tillräcklig för att förvandla R401 till en växtnyttig bakterie.
Påfallande nog, när de väl hade föreningen i handen, kunde forskarna visa att brassicaeptin i sig är tillräckligt för att orsaka växtsjukdomar i samverkan med höga saltförhållanden. Vidare var brassicaeptin inte bara giftigt för krasseväxter utan också för tomatplantor som utsätts för saltstress, såväl som för andra mikrober.
Forskarna kunde visa att molekylen, som är sammansatt av en fettsyrasvans kopplad till aminosyror, kan bilda porer i växtmembran. Detta kan förklara varför molekylens toxicitet blir uppenbar när växter utsätts för saltstress.
Schäberle är entusiastisk över de möjligheter som denna studie ger för att förbättra grödans hälsa. "Det är viktigt att vi lär oss mer om hur de naturliga produkter som produceras av mikrober påverkar växternas fysiologi. Detta kommer att göra det möjligt för oss att designa effektiva biologiska läkemedel för växtskydd."
Hacquard fann det anmärkningsvärt att "en enda bakteriemolekyl samtidigt kan sensibilisera växter för osmotisk stress, främja bakteriell förmåga att kolonisera rötter och hindra tillväxt av bakterier och svampkonkurrenter."
Mer information: Felix Getzke et al, Fysiokemisk interaktion mellan osmotisk stress och en bakteriell exometabolit främjar växtsjukdomar, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48517-5
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Max Planck Society
