Salt jord sensibiliserer planter over for en ukonventionel måde af bakteriel toksicitet

Et samarbejde mellem forskere fra Max Planck Institute for Plant Breeding Research og Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology har vist, hvordan en enkelt metabolit kan gøre bakterier giftige for planter under høje saltforhold.

Deres resultater, offentliggjort i Nature Communications kan have vigtige konsekvenser for landbrug og plantesundhed i skiftende klimaer.

Klimaændringer, og specifikt stigende temperaturer, vil lægge en stor belastning på plantevæksten og vil næsten helt sikkert påvirke planteproduktionen. En indlysende konsekvens af et varmere klima er, at planter på marken vil kræve mere kunstvanding. Med mere vanding kommer der dog også mere saltholdighed, da næringssalte på denne måde ophobes i landbrugsjorde.

Klimaændringer vil også påvirke plantesundheden gennem, hvad de gør ved de samfund, der består af talrige mikroorganismer, der lever i intim forbindelse med planteværter. Disse samfund gør planterne mere hårdføre i forhold til stressende forhold og mere modstandsdygtige over for patogene mikrober.

Podning med definerede bakteriesamfund som probiotika er således en attraktiv strategi til at beskytte plantesundheden. Men for at sikre, at disse podestoffer er effektive, er det nødvendigt at forstå, hvordan bakterier og planter interagerer under forskellige forhold.

Fra tidligere eksperimenter vidste den medkorresponderende forfatter Stéphane Hacquard, som er baseret på Max Planck Institute for Plant Breeding Research i Köln, Tyskland, og hans kolleger, at cirka 95 % af de bakterier, der findes i plantemikrobiota, er enten neutrale eller gavnlige i en -on-one interaktioner med thale karse planter.

Et lille antal er dog skadelige, når de dyrkes sammen med planter under laboratorieforhold, blandt dem Pseudomonas brassicacearum R401, en gramnegativ bakterie, der findes i jord, der er et dominerende medlem af plantemikrobiotaen.

Overraskende nok blev der dog ikke observeret nogen sygdom, når denne bakterie blev dyrket sammen med planter under naturlige jordbundsforhold. Dette tyder på, at bakterien kræver særlige forhold for at forårsage sygdom på jorddyrkede planter.

Nogle tidligere rapporter havde vist, at saltstress kan lette bakteriel infektion af planter. Ja, da forskerne brugte salt, fandt de ud af, at plantevæksten blev negativt påvirket i nærvær af R401-stammen.

Mange gramnegative bakterier forårsager virulens ved at injicere sygdomsfremkaldende proteiner direkte i værtscellens cytoplasma. Inspektion af R401-genomet afslørede imidlertid ikke nogen gener, der koder for dette injektionsapparat. Desuden vokser mange patogene bakterier over på deres plantevært og implementerer strategier for at dæmpe planters immunrespons. Igen, R401 gjorde ingen af ​​disse ting.

For at forstå, hvordan R401-stammen forårsager sygdom i jorddyrkede planter, der udsættes for saltstress, gik Hacquard og hans gruppe sammen med Till Schäberles naturlige produktgruppe ved Justus-Liebig-Universitetet og Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology i Giessen .

Sammen identificerede forskerne gener, der viste lighed med gener fra beslægtede bakterier, der koder for fytotoksiske metabolitter. De isolerede den forudsagte metabolit, som de kaldte brassicapeptin, og muterede et af de kernegener, der var nødvendige for dets syntese. Denne mutation var tilstrækkelig til at omdanne R401 til en plantenyttig bakterie.

Påfaldende nok, når de først havde stoffet i hånden, kunne forskerne vise, at brassicapeptin i sig selv er nok til at forårsage plantesygdomme sammen med høje saltforhold. Desuden var brassicaeptin ikke kun giftigt for thalekarseplanter, men også for tomatplanter, der oplever saltstress, såvel som for andre mikrober.

Forskerne kunne vise, at molekylet, som er sammensat af en fedtsyrehale, der er knyttet til aminosyrer, kan danne porer i plantemembraner. Dette kunne forklare, hvorfor molekylets toksicitet bliver tydelig, når planter udsættes for saltstress.

Schäberle er begejstret over de muligheder, denne undersøgelse giver for at forbedre afgrødes sundhed. "Det er vigtigt, at vi lærer mere om, hvordan de naturlige produkter produceret af mikrober påvirker plantefysiologien. Dette vil give os mulighed for at designe effektive biologiske lægemidler til afgrødebeskyttelse."

Hacquard fandt det bemærkelsesværdigt, at "et enkelt bakteriemolekyle på samme tid kan sensibilisere planter over for osmotisk stress, fremme bakteriel evne til at kolonisere rødder og hindre vækst af bakterier og svampekonkurrenter."

Flere oplysninger: Felix Getzke et al., Fysiokemisk interaktion mellem osmotisk stress og en bakteriel exometabolit fremmer plantesygdomme, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48517-5

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Max Planck Society