Wetenschap
Zoute grond maakt planten gevoelig voor een onconventionele vorm van bacteriële toxiciteit
Een gezamenlijk onderzoek tussen onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Plantenveredelingsonderzoek en het Fraunhofer Instituut voor Moleculaire Biologie en Toegepaste Ecologie heeft aangetoond hoe een enkele metaboliet bacteriën giftig kan maken voor planten onder omstandigheden met een hoog zoutgehalte.
Hun bevindingen, gepubliceerd in Nature Communications kan belangrijke gevolgen hebben voor de landbouw en de plantgezondheid in veranderende klimaten.
Klimaatverandering, en met name de stijgende temperaturen, zullen een grote druk uitoefenen op de plantengroei en vrijwel zeker de plantenproductie beïnvloeden. Een voor de hand liggend gevolg van een warmer klimaat is dat planten in het veld meer irrigatie nodig hebben. Met meer water geven komt echter ook het zoutgehalte, omdat op deze manier voedingszouten zich ophopen in landbouwbodems.
Klimaatverandering zal ook de gezondheid van planten beïnvloeden door wat het doet met de gemeenschappen die bestaan uit talrijke micro-organismen die in nauwe samenwerking leven met plantengastheren. Deze gemeenschappen maken planten sterker onder stressvolle omstandigheden en beter bestand tegen pathogene microben.
Inenting met gedefinieerde bacteriële gemeenschappen als probiotica is dus een aantrekkelijke strategie om de gezondheid van planten te beschermen. Om er zeker van te zijn dat deze inocula effectief zijn, is het echter noodzakelijk om te begrijpen hoe bacteriën en planten onder verschillende omstandigheden met elkaar omgaan.
Uit eerdere experimenten wisten co-corresponderende auteur Stéphane Hacquard, werkzaam bij het Max Planck Instituut voor Plantenveredelingsonderzoek in Keulen, Duitsland, en zijn collega's dat ongeveer 95% van de bacteriën in de plantenmicrobiota neutraal of heilzaam zijn in één. -op-een interacties met zandraketplanten.
Een klein aantal is echter schadelijk wanneer het samen met planten wordt gekweekt onder laboratoriumomstandigheden, waaronder Pseudomonas brassicacearum R401, een gramnegatieve bacterie die wordt aangetroffen in de bodem en een dominant lid is van de plantenmicrobiota.
Maar verrassend genoeg werd er geen ziekte waargenomen toen deze bacterie samen met planten werd gekweekt onder natuurlijke bodemomstandigheden. Dit suggereert dat de bacterie specifieke omstandigheden nodig heeft om ziekten te veroorzaken bij in de grond gekweekte planten.
Sommige eerdere rapporten hadden aangetoond dat zoutstress bacteriële infectie van planten kan vergemakkelijken. Toen de wetenschappers zout toepasten, ontdekten ze dat de plantengroei negatief werd beïnvloed door de aanwezigheid van de R401-stam.
Veel Gram-negatieve bacteriën veroorzaken virulentie door ziekteverwekkende eiwitten rechtstreeks in het cytoplasma van de gastheercel te injecteren. Bij inspectie van het R401-genoom zijn echter geen genen aan het licht gekomen die voor dit injectieapparaat coderen. Bovendien overgroeien veel pathogene bacteriën hun plantengastheer en passen ze strategieën toe om de immuunreacties van planten te dempen. Nogmaals, R401 deed geen van deze dingen.
Om te begrijpen hoe de R401-stam ziekten veroorzaakt bij in de grond gekweekte planten die te maken hebben met zoutstress, werkten Hacquard en zijn groep samen met de natuurlijke productgroep van Till Schäberle aan de Justus-Liebig-Universiteit en het Fraunhofer Instituut voor Moleculaire Biologie en Toegepaste Ecologie in Giessen. .
Samen identificeerden de onderzoekers genen die gelijkenis vertoonden met genen van verwante bacteriën die coderen voor fytotoxische metabolieten. Ze isoleerden de voorspelde metaboliet, die ze brassicapeptine noemden, en muteerden een van de kerngenen die nodig zijn voor de synthese ervan. Deze mutatie was voldoende om van R401 een plantgunstige bacterie te maken.
Opvallend genoeg konden de wetenschappers, zodra ze het middel in handen hadden, aantonen dat brassicapeptine op zichzelf voldoende is om plantenziekten te veroorzaken in combinatie met hoge zoutomstandigheden. Bovendien was brassicapeptine niet alleen giftig voor zandraketplanten, maar ook voor tomatenplanten die last hadden van zoutstress, evenals voor andere microben.
De onderzoekers konden aantonen dat het molecuul, dat bestaat uit een vetzuurstaart gekoppeld aan aminozuren, poriën kan vormen in plantenmembranen. Dit zou kunnen verklaren waarom de toxiciteit van het molecuul duidelijk wordt wanneer planten te maken krijgen met zoutstress.
Schäberle is enthousiast over de mogelijkheden die deze studie biedt om de gezondheid van gewassen te verbeteren. "Het is belangrijk dat we meer leren over hoe de natuurlijke producten geproduceerd door microben de plantenfysiologie beïnvloeden. Dit zal ons in staat stellen effectieve biologische geneesmiddelen voor gewasbescherming te ontwerpen."
Hacquard vond het opmerkelijk dat "een enkel bacterieel molecuul tegelijkertijd planten kan sensibiliseren voor osmotische stress, het bacteriële vermogen kan bevorderen om wortels te koloniseren en de groei van bacteriële en schimmelconcurrenten kan belemmeren."