Czy możliwa jest odporność pszenicy na bakterie chorobotwórcze?
Jeśli chodzi o zakażenia bakteryjne wśród europejskich roślin uprawnych, z ich powodu cierpią głównie drzewa owocowe i warzywa, co w efekcie prowadzi do niższych plonów i skrócenia terminu przydatności produktów do spożycia. Najbardziej zjadliwym patogenem atakującym rośliny jest prawdopodobnie Xylella fastidiosa, bakteria siejąca zniszczenie w gajach oliwnych. Choroby bakteryjne są często zwalczane za pomocą oprysków, do których hodowcy używają rozmaitych roztworów, takich jak sole miedzi czy cynku, jednak ich skuteczność jest często niewystarczająca, nie wspominając o wpływie na środowisko. Dopuszcza się też możliwość budowania naturalnej odporności roślin na choroby, ale daje to niestety krótkotrwały efekt z uwagi na zdolność bakterii do pokonywania tej bariery. Większość szkodliwych bakterii wykorzystuje tak zwany system sekrecji typu III (T3SS), w którym przypominające igły struktury wstrzykują określone białka do komórek rośliny, czyniąc je bardziej podatnymi na działanie bakterii. Chcąc lepiej zrozumieć ten proces, zespół finansowanego przez UE projektu T-REX zbadał interakcje zachodzące między pszenicą a T3SS – jako że jest to nieodłączny element zakażenia bakteryjnego, rozpoznanie T3SS przez komórki pszenicy powinno dawać trwałą odporność. W ramach projektu zastosowano T3SS bakterii Pseudomonas syringae, wywołującej choroby liści i innych organów roślinnych, aby przy jego użyciu wstrzykiwać do komórek pszenicy białka innych patogenów. Dzięki temu ustalono, że niektóre odmiany uprawne pszenicy są w stanie rozpoznać T3SS. „Po porównaniu wzrostu P. syringae w komórkach pszenicy rozpoznających i nierozpoznających T3SS odkryliśmy, że rozpoznanie T3SS opóźnia rozwój bakterii o około dzień”, twierdzi koordynator projektu Hans Thordal-Christensen z Uniwersytetu Kopenhaskiego będącego gospodarzem projektu. „To odkrycie było niezwykle fascynujące, ponieważ zdolność rozpoznawania T3SS była wcześniej przypisywana tylko zwierzętom”. Przeprowadzenie prac badawczych było możliwe dzięki wsparciu udzielonemu w ramach działań „Maria Skłodowska-Curie”.
Badanie powiązanych genów
Zespół projektu T-REX zaaplikował niechorobotwórczą bakterię występującą w glebie, ze sztucznie wymuszoną ekspresją T3SS, do komórek liści różnych kultywarów pszenicy, a następnie przeprowadził drobiazgową obserwacje. Okazało się, że tkanka liści niektórych z badanych odmian obumarła w ciągu 24 godzin, co było przejawem odporności, podczas gdy u innych nie zaszły żadne zmiany. Oznacza to, że niektóre kultywary posiadają mechanizmy umożliwiające rozpoznawanie T3SS. Stosując tę samą metodologię w celu identyfikacji genu odpowiedzialnego za rozpoznawanie T3SS, uczeni przeprowadzili doświadczenia na 440 kultywarach z kolekcji WAGTAIL, co doprowadziło ich do odkrycia, że jedna trzecia odmian posiada mechanizm rozpoznawania T3SS. Dzięki analizie 20 000 różnic genetycznych pomiędzy tymi kultywarami uczeni mogli zlokalizować gen odpowiedzialny za rozpoznawanie T3SS w chromosomach. „Ustaliliśmy, że ta zdolność jest prawdopodobnie zależna od jednego genu zlokalizowanego w segmencie chromosomu złożonego z około 10 genów, jednak nie wiemy jeszcze, który dokładnie to gen”, zauważa Thordal-Christensen. Uczeni zamierzali też zidentyfikować tę część T3SS, która jest rozpoznawalna przez komórki pszenicy. Jako że T3SS bakterii składa się z 28 różnych białek, jedną z metod znalezienia charakterystycznego dla tego mechanizmu białka jest wstrzykiwanie białek jednego po drugim. „Uzyskaliśmy i oczyściliśmy wiele z 28 białek T3SS pobranych z Escherichia coli, a następnie sprawdziliśmy, czy wywołują one nekrozę liści. Niestety, nie udało nam się jeszcze ustalić najważniejszego białka, więc zamierzamy kontynuować nasze badania”, dodaje uczony.
Poszerzanie obszaru badań
Rozwijając ogólną wiedzę na temat roślin, w szczególności w obszarze ich odporności na choroby, zespół T-REX toruje drogę ku rolnictwu, które będzie bardziej wydajne i przyjazne dla środowiska. „Możemy zalecić wszystkim hodowcom pszenicy, aby wykorzystali 10-genowy segment chromosomu w swoich kultywarach, dzięki czemu zwiększą ich odporność na bakterie z rodzaju Pseudomonas, a także dostarczą markerów genetycznych potwierdzających, że to właściwy segment”, mówi Thordal-Christensen. „Mamy nadzieję, że odnalezienie konkretnego genu odpowiedzialnego za badany mechanizm pomoże nam znaleźć sposób na wzmocnienie odporności także innych gatunków roślin”. Kolejnym zagadnieniem, nad którym pracują badacze, jest zrozumienie, jak efektory patogenów manipulują układem odpornościowym roślin. W tym celu zespół wykorzystuje T3SS bakterii, aby wstrzykiwać do komórek roślin białka efektorowe, a następnie przeprowadza doświadczenia mające na celu pozbawienie zaatakowanych komórek wrażliwości na te białka, zwiększając odporność roślin.
Słowa kluczowe
T-REX, odporność, patogen, bakteria, Pseudomonas syringae, kultywar, pszenica, gen, chromosom, choroba, system sekrecji typu III, T3SS
