Nad preparatem, który mógłby w biologiczny sposób stymulować roślinę do wzrostu oraz dostarczać jej narzędzi do efektywnej obrony przed szkodliwymi drobnoustrojami, pracują naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego i Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej. W osiągnięciu celu pomogą im bakterie endofityczne.
Długotrwałe stosowanie pestycydów, w celu pozbycia się grzybów czy bakterii chorobotwórczych, wpływa negatywnie nie tylko na środowisko, lecz również na człowieka. Dlatego naukowcy szukają naturalnych, skutecznych sposobów ochrony plonów. Jednym z rozwiązań są bakterie endofityczne, czyli takie, które kolonizują wnętrze rośliny. Relacja pomiędzy endofitami i roślinami ma charakter symbiotyczny. Wyniki wielu badań pokazują, że bakterie te mogą przynosić wiele korzyści swojemu gospodarzowi. W zamian za substraty odżywcze produkują różnego rodzaju metabolity, dzięki którym roślina lepiej się rozwija lub jest bardziej odporna na abiotyczne i biotyczne czynniki stresowe. Do takich należą różne patogeny.
Zespół naukowców z Uniwersytetu Śląskiego i Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie analizuje charakterystykę molekularna pęcherzyków wytwarzanych przez dwa rodzaje bakterii endofitycznych – z rodzaju Rhizobium i Pseudomonas.
Ich struktura wydała nam się niezwykle ciekawa. Zadaliśmy sobie pytanie, czy mogą wpływać na fizjologię gospodarza. Chcemy sprawdzić, czy stymulują poziom odporności swoich roślin-gospodarzy, a jeśli tak, to w jaki sposób – wyjaśnia prof. Zofia Piotrowska-Seget z Wydziału Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Śląskiego.
Bakterie endofityczne są obecne praktycznie we wszystkich roślinach. Wiele z nich pełni ważne funkcje. Produkują hormony roślinne stymulujące wzrost, związki ułatwiające pobieranie niektórych pierwiastków oraz zwiększają odporność na patogeny. Naukowcy wiedzą, że roślina potrafi „zwabić” mikroorganizmy, z którymi chce wejść w symbiozę. Takim klasycznym przykładem są bakterie z rodzaju Rhizobium. Występują w systemie korzeniowym i wiążą azot. Druga interesująca grupa to rodzaj Pseudomonas – wybrana została jako obiekt badań ze względu na to, iż należą do niej organizmy promujące wzrost roślin i produkujące duże ilości pęcherzyków.
Dwa wybrane rodzaje bakterii zostały wyizolowane z różnych części rośliny. We wcześniejszych badaniach udało się dokonać ich charakterystyki, dlatego wiemy o nich sporo. To zresztą jeden z powodów wyboru akurat tych mikroorganizmów. Chcemy sprawdzić, jakie korzyści niosą roślinom pęcherzyki produkowane przez te endofity – relacjonuje dr Katarzyna Kasperkiewicz.
Kiedy błona zewnętrzna mikroorganizmu się fałduje, formuje się w pęcherzyk, który następnie jest uwalniany i krąży w organizmie rośliny. Może dotrzeć do tych części, do których sama bakteria ze względu na swoją wielkość nie byłaby się w stanie przedostać. Jest to pewien rodzaj odpowiedzi na zmieniające się środowisko, ale też forma komunikacji między bakteriami a rośliną oraz pomiędzy drobnoustrojami. Jedno z ważniejszych pytań brzmi: czy bakteria „decyduje”, co trafia do pęcherzyka, czy też przypadkowo umieszczane są tam różne produkty metabolizmu, toksyny czy materiał genetyczny (fragmenty DNA, RNA).
Naukowcy, oprócz zawartości pęcherzyków, badają także sposób ich przemieszczania się oraz oddziaływanie na roślinę. Zespół chce zaproponować ciekawy system śledzenia wędrówki i losów pęcherzyków z wykorzystaniem takich nowoczesnych rozwiązań, jak znakowanie białkiem zielonej fluorescencji. Badania pozwolą odpowiedzieć na pytanie, czy i jak roślina reaguje na obecność tych szczególnych struktur.
Kiedy poznamy wszystkie interesujące nas mechanizmy, docelowo chcielibyśmy stymulować bakterie, aby wytwarzały pęcherzyki o takiej zawartości, na jakiej nam zależy. Następnie moglibyśmy wprowadzać je do roślin w postaci szczepionki, aby osiągnąć określony cel, na przykład wspomnianą już wcześniej większą odporność na różne patogeny czy inne czynniki stresogenne – wyjaśnia dr Kasperkiewicz.
Zadanie nie jest łatwe ze względu na to, że w pęcherzykach zamykane są najróżniejsze cząstki. Po pierwsze pęcherzyk, jak dodaje badaczka, czasem jest jak pocztówka wysyłana do innych drobnoustrojów z informacją: jestem tutaj! Sprawdza się to zwłaszcza w przypadku mikroorganizmów patogennych. Wówczas wewnątrz pęcherzyka może się znaleźć toksyna albo czynniki wirulencji. To bardzo ciekawa forma komunikacji. Po drugie, pęcherzyki mogą być jak worki na śmieci, do których trafiają produkty różnych procesów: metabolity, fragmenty DNA, RNA czy białek. Po trzecie wreszcie, są jak szczepionki, zawierają bowiem substancje stymulujące na przykład wzrost rośliny. Ta rola pęcherzyków najbardziej interesuje naukowców. Być może także roślina może wysyłać bakterii sygnał, że potrzebuje na przykład takiego właśnie stymulatora wzrostu. Na odpowiedź w tej kwestii trzeba jednak będzie jeszcze poczekać.
Prowadzimy badania podstawowe. To oznacza, że naszym celem jest jak najlepsze poznanie i opisanie mechanizmów, o których rozmawiamy. Dopiero potem przyjdzie czas na próby wykorzystania ich w praktyce, choć nie ukrywam, że potencjał aplikacyjny jest duży – podkreśla liderka zespołu.
Wyniki badań prowadzonych na kukurydzy oraz na modelowej roślinie Arabidopsis już teraz potwierdziły możliwość stymulacji wzrostu obu gatunków roślin właśnie za pośrednictwem pęcherzyków wytwarzanych przez bakterie endofityczne. Plany są interesujące, dotyczą bowiem zwiększenia plonów i lepszej ochrony roślin uprawnych metodami naturalnymi, bezpiecznymi dla człowieka i środowiska. Naukowcy dostrzegli możliwość stworzenia preparatu na bazie pęcherzyków, który mógłby w biologiczny sposób stymulować roślinę do wzrostu oraz dostarczać narzędzi do efektywnej obrony na przykład przed szkodliwymi drobnoustrojami. Byłby to więc rodzaj szczepionki uodparniającej rośliny i niemającej jednocześnie negatywnego wpływu na otoczenie, jak to ma miejsce w przypadku długotrwałego oddziaływania pestycydów.
W nauce znane są już przypadki wykorzystywania bakterii czy grzybów do ochrony roślin przed patogenami. Zastosowanie pęcherzyków byłoby więc kolejną biologiczną metodą służącą środowisku i nam wszystkim – podsumowuje prof. Zofia Piotrowska-Seget.
Małgorzata Kłoskowicz, źródło: UŚ