Гонка вооружений у корня растения: как почвенные бактерии борются с липкими ловушками

Почва полна микробов. Специализированные пограничные клетки на внешней поверхности корней растений защищаются от этих микробов, пока корни проникают в почву в поисках воды и питательных веществ. Исследование, опубликованное 23 июня в PLOS Pathogens, показывает, как фитопатогены сопротивляются захвату липкими выделениями корневых пограничных клеток.

R. solanacearum — почвенная бактерия, вызывающая разрушительное увядание у широкого спектра растений, включая экономически важные культуры, такие как картофель, томат и банан. Бактерия живет в почве, находит корни, проникает в них через раны или естественные отверстия, затем размножается и распространяется, в конечном итоге блокируя водопроводящую систему и вызывая увядание и гибель растения.

Кейтилин Аллен из Университета Висконсина в Мэдисоне (США) и её коллеги использовали горох (модельная система для изучения корневых пограничных клеток) и томат (экономически важный естественный хозяин) для изучения взаимодействий между пограничными клетками и патогеном R. solanacearum.

Исследователи обнаружили, что при контакте с R. solanacearum пограничные клетки корней как гороха, так и томата реагируют, высвобождая ДНК, тем самым образуя липкие ловушки, которые захватывают бактерии. Наблюдения показали, что около 25% захваченных бактерий погибали в этих ловушках. Антибактериальная активность зависела как от наличия внеклеточной ДНК, так и от гистона H4 — ДНК-ассоциированного белка, присутствующего в клетках растений и животных.

Когда исследователи подвергли корни гороха воздействию нескольких типов безвредных бактерий, секреции ДНК не происходило, что позволяет предположить, что эта реакция является специфической защитой от вредоносных атак.

В поисках специфических сигналов патогена, запускающих реакцию образования внеклеточных ловушек в корне, исследователи изучили штаммы R. solanacearum с мутациями в ряде генов, кодирующих предполагаемые сигналы. Два штамма с мутациями в генах, формирующих пропеллероподобный хвост бактерии, не вызывали образования ловушек. Это говорит о том, что эта структура, так называемый жгутик, распознаётся хозяином как сигнал опасности.

Геном R. solanacearum содержит два гена (nucA и nucB), кодирующие так называемые эндонуклеазы — молекулярные ножницы, способные разрезать молекулы ДНК. Обе эндонуклеазы содержат сигналы, которые приводят к их экспорту из бактериальной клетки и высвобождению в окружающую среду. Чтобы проверить, могут ли эти эндонуклеазы разрушать ловушки, установленные корнями растений, исследователи создали мутанты R. solanacearum, лишённые одного или обоих генов nuc.

Они обнаружили, что в то время как немодифицированные бактерии R. solanacearum быстро высвобождались из ловушек пограничных клеток корней гороха, мутантные бактерии, лишённые обеих нуклеаз, оставались обездвиженными. Мутантные бактерии также были менее способны проникать в корни томатов, своего естественного хозяина. Добавление очищенных нуклеаз (NucA, NucB или небактериальной версии под названием DNase I) приводило к высвобождению бактерий из ловушек. В совокупности эти результаты демонстрируют, что фитопатогены используют нуклеазы, чтобы избежать внеклеточных ДНК-ловушек, создаваемых пограничными клетками корней хозяина.

«Насколько нам известно, — говорят исследователи, — это первое сообщение о том, что DNase способствует патогенезу растений». Они обсуждают это в контексте, по-видимому, независимой эволюции сходных защитных механизмов на основе ДНК у животных и растений: пограничные клетки корней растений и макрофаги животных используют содержащие ДНК внеклеточные ловушки и убивают патогены. В ответ патогены используют секретируемые ферменты, разрушающие ДНК.

Понимание взаимодействий хозяин-патоген на уровне корня растения может помочь в селекции или создании устойчивых к болезням сортов растений.