Luptând împotriva microbilor cu... microbi

Asemeni oamenilor care posedă gama lor de microbi care îi ajută în toate privinţele, începând de la răspunsuri imune până la nutriţie, plantele se bazează pe o gamă largă de bacterii sau fungi pentru a-şi menţine sănătatea şi pentru a se apăra.

Doctorii recurg la utilizarea unor microbi benefici pentru a combate boala. Ar putea fi această strategie utilă şi în cazul recoltelor?

În ultima decadă cercetările au scos la iveală multe aspecte funcţionale ale încrucişărilor dintre microbii întâlniţi la om şi celulele umane, dar biologii plantelor abia acum încep să înţeleagă cum stă treaba cu modalitatea surprinzătoare prin care microflora existentă în sol declanşează un comportament de apărare al plantelor sau chiar acţionează pe post de vaccin. Dar în ciuda acestor beneficii microbii sunt încă consideraţi vestitori ai bolii.

"Odată cu descoperirea antibioticelor, cercetările medicale au fost dominate de o "mentalitate bazooka" şi acest lucru s-a întâmplat şi în cazul cercetărilor din domeniul agricol, afirmă Alexandre Jousset, un om de ştiinţă de la Universitatea Georg-August din Göttingen, Germania care studiază plantele. "În mod obişnuit, microbii au fost priviţi ca factori negativi şi atenţia a fost îndreptată înspre eradicarea acestora." În prezent, oamenii de ştiinţă şi unii medici sunt din ce în ce mai conştienţi de utilitatea lor şi cercetătorii din domeniul botanic au început şi ei să ia în considerare faptul că acelaşi lucru poate fi valabil şi în cazul plantelor.

În timp ce Human Microbiome Project a descoperit că în jur de 10.000 de specii de microorganisme trăiesc în interiorul corpului uman şi la suprafaţa acestuia, depăşind numărul celulele noastre de zece ori, oamenii de ştiinţă au descoperit că orice probă de sol analizată conţine mai mult de 30.000 de soiuri taxonomice de microbi. Microflora din sol nu oferă doar substanţe nutritive pentru plante, ci împiedică şi apariţia bolii. În schimb, rădăcinile secretă carbonul fixat în sol şi îşi hrănesc simbioţii bacterieni.

Cercetătorii care studiază plantele au descoperit că orice eşantion de sol prelevat conţine mai mult de 30.000 de soiuri taxonomice de microbi.

Deşi în momentul de faţă lumea medicală avertizează asupra faptului că prescrierea excesivă a antibioticelor distruge flora saprofită şi încurajează formarea de tulpini rezistente la antibiotice, o schimbare similară de opinii nu a apărut şi în agricultură, domeniu în care dorinţa de a ucide toţi patogenii plantelor a dat naştere biocidelor care distrug fără discriminare atât bacteriile benefice, cât şi pe cele patogene. "Biocidele pot distruge solul, dar niciodată nu ucid totul", afirmă Mike Cohen, un biolog de la Universitatea de Stat Sonoma din California. "Acest lucru creează un vid biologic care se umple de supravieţuitori oportunişti şi organisme provenite din solul înconjurător." Biocidele pot crea o presiune puternică selectivă: cei câţiva agenţi patogeni care supravieţuiesc au o concurenţă redusă şi proliferează, dând naştere unor comunităţi patogene care se pot sustrage de la tratamentele standard.

Cu toate acestea, organismele benefice pentru sol pot proteja plantele mai selectiv decât o fac produsele biocide. Ele expun agenţii patogeni şi produc toxine care omoară microbii patogeni şi declanşează, de asemenea, "mecanismele de apărare ale plantelor". "Bacteriile native sunt principala şi cea mai importantă barieră care ajută la prevenirea instalării agenţilor patogeni", afirmă Jousset. "O floră diversă este deosebit de importantă pentru menţinerea agenţilor patogeni la distanţă. Acest lucru este valabil atât în cazul intestinului uman, cât şi în cazul solului."

"Ideea este că putem să reducem consumul de pesticide şi fungicide utilizând microbiomul", afirmă Hrsh Bais, un biolog botanist de la Universitatea din Delaware, Newark. "Dar este necesară o cunoaşte mai aprofundată a mecanismelor de acţiune a acestora. Relaţiile care se formează între microbi şi plante sunt foarte complexe."

Viaţa în subteran

Potrivit unui studiu recent publicat în PLoS One, reţelele subterane de fungi ajută plantele de tomate "să tragă cu urechea" la semnalele de alarmă produse de vecinii lor. Chiar şi atunci când plantele nu sunt capabile să comunice prin intermediul indiciilor chimice eliberate prin frunzele lor, ele pot conecta şi partaja informaţii vitale în sol.

Cercetătorii de la Universitatea Agrară din China de Sud din Guangzhou au inoculat frunzele plantelor de tomate cu un flagel incipient de ciupercă Alternaria solani, care determină apariţia unor pete maro şi a unor zone moarte pe suprafaţa frunzelor şi poate determina putrezirea fructului de tomate. Apoi ei au acoperit toate plantele cercetate cu pungi de plastic închise ermetic, care au împiedicat transmiterea semnalelor în aer. În ciuda faptului că au fost acoperite, plantele de tomate au fost capabile să comunice. Plantele neinoculate care au crescut la câţiva metrii distanţă au activat gene implicate în apărare şi au început să creeze enzime care să lupte cu boala.

Cercetătorii au urmărit comunicările transmise înapoi spre ciuperca Glomus mosseae, care formează o relaţie simbiotică cu firele rădăcinii de plante cunoscute sub numele de reţea micorizală prin inserarea în membrana celulelor de la nivelul rădăcinii. Plantele de tomate cultivate în sol care au fost ambalate în saci nu au reuşit să primească semnalul provenit de la vecinii infectaţi care le avertiza să-şi activeze mecanismele de apărare şi nu au produs compuşi care să combată boala. În schimb, în solurile care conţin Glomus mosseae, plantele neinfectate au detectat semnalele de avertizare ale riscului de îmbolnăvire şi au produs niveluri mai ridicate a şase enzime implicare în apărare, printre care şi peroxidază (POD), polifenoli oxidază (PPO), chitinază, β-1,3 glucanază, fenilalanină amoniuliază (PAL) şi lipoxigenaza (LOX).

Deoarece reţeaua micorizială se poate extinde de la rădăcinile unei plante la rădăcinile altei plante, este posibil ca reţeaua de micelii fungice să acţioneze ca firele de la telefon şi să permită plantelor să comunice subteran. Dacă această ipoteză se dovedeşte a fi adevărată, prin identificarea compuşilor care trimit semnale chimice în rândul ciupercilor ar putea fi posibil să prevenim bolile plantelor prin cultivarea unui amestec adecvat de microbi în sol. "Problema este că nu ştim cum se selectează plantele şi microbii unul pe altul", afirmă Bais.

Pentru a încerca să răspundem la această întrebare, Bais şi colegii săi au apelat la plantele Arabidopsis thaliana şi Bacillus subtilis, o bacterie cunoscută pentru capacitatea sa de a stimula sănătatea plantelor. În ciuda mecanismelor de apărare antimicrobiale ale plantelor, B. subtilis reuşeşte să se plaseze în sol. Echipa a constatat că B. subtilis secretă o peptidă antimicrobiană care inhibă temporar toxinele secretate de rădăcină, permiţând bacteriilor benefice să colonizeze solul din jurul rădăcinilor. Peptida secretată de B. subtilis poate ajuta şi la evitarea agenţilor patogeni pentru sol în timp ce mecanismele de apărare ale plantelor sunt compromise, afirmă Bais.

Chiar şi după ce o comunitate bacteriană dispare, căile biochimice dezvoltate de plante ca răspuns la colonizarea bacteriană rămân intacte

Într-un studiu realizat anterior, Bais şi colegii săi au constatat că plantele pot alege speciile de bacterii benefice recrutate în timpul atacurilor patogene. Echipa a infectat culturile de Arabidopsis cu Pseudomonas syringae pv tomato, care determină apariţia unor pete pe roşii, o boală gravă a culturilor de tomate. Rădăcinile plantelor au început în curând să secrete acid L-malic, care este o sursă de hrană pentru B. subtilis. În consecinţă, B. subtilis a colonizat rădăcinile, lucru care la rândul său a determinat planta să producă acid salicilic care să intervină în apărarea chimică, ajutând-o să lupte cu infecţia bacteriană. "Aceasta nu este o relaţie simbiotică tipică, dar există o reciprocitate interesantă aici", afirmă Bais.

Plantele pot fi chiar capabile să recruteze specii diferite de bacterii în funcţie de felul în care li se modifică necesităţile de mâncare şi apă. Cercetătorii de la Universitatea Ain Shams din Cairo, Egipt au analizat recent sistemul rădăcinilor plantelor de ardei sensibile la secetă (Capsicum annuum) care au crescut având la dispoziţie diferite cantităţi de apă. După compararea structurii şi diversităţii comunităţilor bacteriene din rizosferă, echipa a constatat că plantele care cresc în deşert având cantităţi mici de apă la dispoziţie au populaţii mai mari de bacterii care accelerează creşterea plantelor (ACP) care pot spori fotosinteza şi sinteza biomasei cu 40% în condiţii de secetă. Deşi mecanismul ACP de acţiune nu a fost dezvăluit, este cunoscut faptul că bacteriile atenuează stresul determinat de sare prin reducerea producţiei de etilenă în culturile de roşii.

În mod surprinzător, există unele dovezi că efectele benefice ale bacteriilor pot rezista de-a lungul generaţiilor. Chiar şi după ce o comunitate bacteriană dispare, căile biochimice dezvoltate de plante ca răspuns la colonizarea bacteriană rămân intacte. "Acest lucru sugerează că bacteriile acţionează ca un fel de vaccin", afirmă Bais. Acest răspuns intens la boală poate fi apoi transmis la următoarea generaţie de plante. De exemplu, chiar şi atunci când descendenţii nu sunt expuşi la B. subtilis, aceştia sunt mai în măsură să lupte împotriva bolilor dacă plantele mamă au dezvoltat o relaţie cu bacteria. "Bacteriile stimulează apariţia unui răspuns mai precoce al florilor plantelor atunci când sunt expuse unei boli şi transmit această memorie generaţiilor următoare", afirmă Bais. Efectele par să dureze pe tot parcursul vieţii descendenţilor direcţi ai plantelor, dar nu sunt transmise şi celei de-a treia generaţii.

Deşi cele mai multe microorganisme care sunt benefice pentru plante se află în sol, efectele lor nu sunt întotdeauna localizate la nivelul rădăcinilor. Într-un al treilea studiu publicat în The Plant Jurnal, Bais şi colegii săi au arătat că microbii benefici pentru sol stimulează închiderea porilor stomatelor în frunzele plantelor de Arabidopsis. Stomatele permit dioxidului de carbon să difuzeze în frunză şi eliberează în atmosferă oxigen de expiraţie şi apă. Este cunoscut faptul că în condiţiile unui climat cald şi uscat este declanşată închiderea stomatelor pentru a conserva cantitatea de apă din plantă, dar Bais a fost primul care a demonstrat că bacteriile din sol pot declanşa răspunsul, o descoperire importantă deoarece unele bacterii patogene, cum ar fi P. syringae pv. tomate, pătrund în plantă prin intermediul stomatelor.

Pentru a vedea dacă microbii din rădăcină ar putea ajuta la contracararea infecţiilor deja existente în plantă, Bais şi colegii săi au cultivat plante infestate cu P. syringae şi apoi au inoculat solul cu B. subtilis care este benefic. Pe măsură ce rădăcinile au recrutat noi colonii de B. subtilis, plantele au început să producă acid abscisic, un produs chimic implicat în reglarea închiderii stomatelor. După trei ore, doar 43% din stomate au fost deschise la plantele tratate cu B. subtilis. În grupurile de control, 56% din stomate au rămas deschise. "Această diferenţă a fost semnificativă şi a contribuit la reducerea bolilor", afirmă Bais.

Dezvăluirea mecanismului de acţiune

Este mult mai greu pentru agenţii patogeni să infesteze intestinul uman atunci când microflora saprofită colonizează suprafaţa intestinului. Un mecanism similar se petrece şi în sol. Când vine vorba de prevenirea bolilor plantelor, unii microbi patogeni ucid în mod direct; alţii consumă resurse, ocupând locurile pe care în alte condiţii le-ar putea popula bacteriile invadatoare.

"Atunci când o comunitate este compusă din specii care folosesc resurse distincte, locul disponibil pentru bacteriile care invadează este mai redus", afirmă Jousset. El şi colegii săi şi-au propus să determine dacă o diversitate genetică mai mare de tulpini bacteriene benefice a fost mai importantă decât creşterea pur şi simplu a unei mari varietăţi de bacterii, indiferent de constituţia lor genetică.

Am putea fi în măsură să încurajăm lupta împotriva bolilor bacteriene prin selectarea numărului corect de specii şi combinaţiei adecvate dintre acestea.
Alexandre Jousset, Georg-August University, Göttingen, Germany.

Cercetătorii au cultivat 95 de specii microbiene, fiecare conţinând între una şi opt tulpini ale bacteriei Pseudomonas fluorescens, o altă specie cunoscută pentru capacitatea sa de a îmbunătăţi starea de sănătate a plantelor. Fiecare grup a avut grade variate de similarităţi genetice. Echipa a expus apoi coloniile bacteriene speciilor invadatoare de Serratia liquefaciens, care colonizează solul, apa şi chiar intestinul uman şi tractul urinar la nivelul căruia tulpinile patogene pot determina apariţia infecţiilor. După 36 de ore, S. liquefaciens a fost capabil să invadeze comunităţile care conţineau specii genetic similare, dar nu a fost în măsură să obţină un punct de sprijin în mai multe comunităţi diferite din punct de vedere genetic. Într-adevăr, pe măsură ce cercetătorii au remarcat creşterea diferenţelor genotipice de trei ori, cercetătorii au remarcat o scădere liniară a colonizării de către S. liquefaciens.

Cu toate acestea, numărul de specii benefice în sol a fost aproape la fel de important ca şi gradul de diferenţiere genetică dintre ele. Comunităţile cu patru până la şase specii au fost mai în măsură să contracareze invazia. În mod interesant, comunităţile au fost mai sensibile la invazia de S. liquefaciens atunci când a fost prezent un număr mai mic sau mai mare de specii de bacterii. Acest lucru se datorează cel mai probabil varietăţii de toxine produse, afirmă Jousset. Coloniile care conţin prea multe specii au produs o cantitate mare de toxine, din rândul cărora unele au afectat şi tulpinile de bacterii benefice, întrucât comunităţile care au avut prea puţine specii au produs niveluri scăzute de toxine, crescând astfel riscul invaziei.

"Acest lucru sugerează că am putea fi capabili să stimulăm lupta împotriva bolilor bacteriene prin selectarea numărului adecvat de specii şi a combinaţiei ideale dintre acestea", afirmă Jousset. Asemeni intestinului, solul este un sistem deschis care permite bacteriilor să vină şi să plece în timp ce competiţia pentru alimente şi nutrienţi determină structura comunităţii. Prin manipularea surselor de alimentare şi a condiţiilor de creştere din sol, ar putea fi posibilă selectarea unor comunităţi genetic diverse. Într-un studiu din acest domeniu efectuat recent, Jousset a prelevat genele descoperite în sol care luptă împotriva bolilor şi a constatat că un amestec divers realizat din  plante cultivate şi ierburi dă naştere celui mai bun raport al genelor care să ne permită să luptăm împotriva bolilor şi care ajută la atenuarea patogenilor înnăscuţi ai solului.

Crearea unui sol sănătos

Aşa cum antibioticele distrug fără discriminare atât bacteriile bune, cât şi pe cele rele din intestin, fungicidele şi biocidele împiedică mecanismele de apărare înnăscute ale solului. Studiile au arătat că practicile mai blânde cum ar fi rotaţia culturilor, aratul şi fertilizarea pot influenţa procesele ecologice din sol şi pot încuraja crearea unor comunităţi microbiene capabile să împiedice apariţia bolii.

În căutarea unui mod de a suplimenta solul care încurajează creşterea bacteriilor benefice, Mike Cohen de la Universitatea de Stat Sonoma s-a alăturat colegilor de la Departamentul Agriculturii din SUA pentru a testa seminţele de rapiţă (Brassica napus), un produs secundar rezultat din prelucrarea seminţelor de rapiţă în ulei de gătit sau motorină bio.

Cercetătorii au împărţit rădăcinile unei culturi de pomi de măr, astfel încât planta a avut rădăcini sădite în două recipiente diferite. Ei au introdus apoi într-un container bacteria patogenă Rhizoctonia solani care provoacă putrezirea rădăcinilor. Seminţele de rapiţă au fost introduse în solul unui alt container care avea aproximativ 0,5% din volumul total, în timp ce solul inoculat cu agentul patogen a fost lăsat netratat. "Acest lucru ne-a permis să testăm efectele indirecte ale seminţelor asupra plantei", afirmă Cohen.

Făina de rapiţă a redus mucegaiul de la rădăcină cu aproximativ 50% comparativ cu grupurile de control care au fost cultivate fără tratament. De fapt, cercetătorii au observat că toată planta a beneficiat de pe urma făinii de rapiţă, chiar dacă numai jumătate din rădăcini au fost expuse. Cohen şi colegii săi sunt de părere că făina de rapiţă favorizează colonizarea cu specii de Streptomyces benefice, cunoscute pentru capacitatea lor de a declanşa mecanismele de apărare sistemice la plante. În solurile îmbunătăţite cu seminţe de rapiţă au fost de 10 ori mai multe bacterii de Streptomyces, o constatare care a fost ulterior confirmată de studiile din domeniu.

Într-adevăr, atunci când cercetătorii au însămânţat direct rădăcina despicată din solul cu Streptomyces în loc de făină de seminţe de rapiţă, au descoperit că prezenţa Streptomyces a stimulat apărarea plantelor în aceeaşi măsură în care au făcut-o seminţele de rapiţă. "Nu putem spune cu siguranţă care este mecanismul prin care Streptomyces ajută plantele, dar unele dovezi indică faptul că acesta este legat de inducerea semnalizării căii acidului jasmonic", afirmă Cohen, un sistem de semnalizare hormonal care declanşează mecanismul de apărare al plantelor.

Din păcate, făina de seminţe poate, de asemenea, hrăni organismele patogene. În unele studii, microbii care au cauzat boala au proliferat în solurile tratate cu făină de seminţe. Cu toate acestea, combinând făina de seminţe de muştar, rapiţă, precum şi cea a altor plante putem ajuta la reducerea proliferării microbilor patogeni, afirmă Cohen. Acest lucru se datorează faptului că făina de seminţe conţine glucozinolaţi, substanţe chimice care eliberează microorganisme patogene fumigene pe măsură ce se descompun în apă. Întrucât substanţele chimice eliberate de seminţele de rapiţă pot fi uşor diferite faţă de cele eliberate de seminţele de muştar, "făina de seminţe este mai promiţătoare atunci când este utilizată în combinaţie", afirmă Cohen. "Unele făini de seminţe ar putea viza un agent patogen, în timp ce altele ar putea ajuta la formarea unor comunităţi benefice de Streptomyces."

Deoarece gastroenterologii susţin în prezent eficacitatea transplantului de bacterii intestinale de la persoane sănătoase în organismul pacienţilor umani care suferă de inflamaţii şi infecţii intestinale, cercetătorii care studiază plantele ar putea, de asemenea, descoperi că mai multe tratamente cu preparate diferite de microorganisme benefice vor avea un mare impact asupra ecologiei solului. Chiar dacă o specie nu reduce un agent patogen, o refacere completă a comunităţii microbiene ar putea ajuta la rezolvarea problemei. Scopul este să realizăm treptat, în timp un sol cu un ecosistem microbian favorabil. În solurile bogate, sănătoase, populaţia microbiană poate fi mai rezistentă la boli.

Cercetătorii recurg acum la experimente realizate în teren pentru a testa cele mai bune combinaţii de specii şi tratamente cum ar fi seminţele de făină care sunt deja utilizate în fermele ecologice din California de Nord. În cazul în care studiile realizate pe teren la scară largă confirmă faptul că  diversitatea microbiană mai mare îmbunătăţeşte sănătatea plantelor, aceasta ar putea ajuta în cele din urmă la reducerea încărcăturii chimice din fermele industriale. "Este posibil ca acest lucru să nu funcţioneze exact în acelaşi mod în intestin, dar mecanismele din sol sunt foarte asemănătoare", afirmă Jousset. "Dacă putem proteja şi cultiva microbiomul din sol, mai degrabă decât să ucidem specii importante, am putea avea nevoie de mai puţine chimicale pe câmp."