Иммунитет и рост: как почвенные бактерии влияют на жизнь растений

Чтобы оставаться здоровыми, растения равномерно распределяют энергию на рост и на защиту от вредных бактерий. Механизмы, лежащие в основе этого энергетического баланса, во многом оставались неизученными.

Теперь инженеры из Принстона нашли ответ в неожиданном месте: в безвредных, а иногда и полезных бактериях, которые скапливаются вокруг корней растений.

В статье, опубликованной в журнале Cell Reports, исследователи показали, что некоторые виды почвенных бактерий могут влиять на баланс роста и защиты растений. Бактерии вырабатывают фермент, который может снизить иммунную активность растения и позволить его корням расти дольше, чем в противном случае.

Это попытка ответить на действительно важный биологический вопрос, на который пока нет хороших ответов, — о том, как микробиомы взаимодействуют с иммунной системой хозяина, — говорит старший автор исследования Джонатан Конвей, доцент кафедры химической и биологической инженерии.

Это небольшой шаг в направлении попытки понять, как микробы живут на хозяевах — растениях, людях или других животных — все время и не активируют наши иммунные реакции постоянно.

Для поиска бактерий, поддерживающих иммунитет, команда Конвея обратилась к растениям, которые были сконструированы таким образом, чтобы иметь повышенный иммунный ответ на белок, составляющий нитевидные придатки, называемые жгутиками, которые позволяют бактериям плавать. Белок, из которого состоят жгутики, называемый флагеллином, является мощным триггером иммунных реакций у хозяев — от растений до человека.

Исследователи вырастили проростки арабидопсиса — небольшого растения из семейства горчичных, широко используемого в исследованиях растений, — из линии, в корнях которой был создан высокий уровень иммунного рецептора, реагирующего на флагеллин. При выращивании на пластинах, содержащих фрагмент флагеллина, который активирует этот рецептор, корни проростков становятся короткими и щуплыми, поскольку их энергия направлена больше на иммунитет, чем на рост.

В ходе эксперимента проростки выращивали на пластинах с флагеллином, а также с 165 различными видами бактерий, выделенными из корней арабидопсиса, выращенного в почве. 68 из них, или 41%, подавляли реакцию замедленного роста, подавляя иммунитет растений и позволяя их корням расти дольше.

Одним из видов бактерий, обеспечивающих наилучший рост корней, была Dyella japonica. Предыдущие работы показали, что иммуномодулирующая активность этого вида зависит от бактериальной системы секреции — белкового комплекса, который может перемещать вещества из бактериальных клеток в окружающую среду, в том числе внутрь растительных клеток или в пространство между ними.

Сканирование генома D. japonica выявило ген, кодирующий секретируемый фермент под названием субтилаза, обладающий потенциальной способностью измельчать флагеллин на мелкие кусочки и не давать ему активировать иммунный ответ.

Команда использовала как генетические, так и биохимические методы, чтобы продемонстрировать, что фермент субтилаза действительно способен разрушать определенный сегмент флагеллина, который вызывает иммунный ответ. Деградация была достаточной, чтобы подавить иммунный ответ и обеспечить рост проростков арабидопсиса.

По словам Сэмюэля Истмена (на фото слева), соавтора статьи и постдокторанта в лаборатории Конвея, при попытке очистить фермент субтилазу исследователи столкнулись с некоторыми трудностями. Получение чистого белка необходимо для того, чтобы окончательно продемонстрировать работу фермента в пробирке.

В 2023 году Истман представил постер о проекте на конференции в Провиденсе (Род-Айленд), и к нему обратился Тодд Науманн, химик из Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США в Пеории (Иллинойс). Науманн сказал, что его опыт подсказывает, что фермент можно очистить из дрожжевых клеток, а не из бактерий.

Через пару месяцев Науманн очистил белок и отправил его в Принстон.

Теперь мы можем заниматься химией и изучать его in vitro, — говорит Истман.

Мы можем достичь такого уровня изучения этого белка, который был бы невозможен без этого сотрудничества.

Науманн является соавтором статьи, как и восемь других исследователей из Принстона, помимо Истмана и Конвея. Процесс отбора и проверки 165 бактериальных изолятов был длительной совместной работой, и шесть студентов были неотъемлемой частью этой и других аспектов работы, сказал Конвей. Бритли Джонс, выпускница Принстона 2023 года, сыграла ключевую роль в скрининге бактериальной коллекции в рамках своей старшей дипломной работы.

Истман разделяет авторство статьи с постдокторским научным сотрудником Тингом Цзяном и Каэли Фикко (на фото справа), выпускницей Принстона 2024 года, которая сейчас является аспиранткой Корнельского университета. В рамках своей диссертации Фикко помогла сконструировать мутантные штаммы бактерий, которые продемонстрировали генетическую необходимость гена субтилазы для подавления иммунитета, и сама разработала некоторые экспериментальные методы.

Мне очень понравилось, что проект был основан на открытиях, — говорит Фикко.

Это определенно повлияло на мой путь после Принстона.

Сейчас она начинает исследования по регулированию иммунитета микробиомом человека.

Помимо анализа специфического фермента, вырабатываемого D. japonica, команда обнаружила, что подобные гены есть у многих распространенных почвенных бактерий, а их анализы показали, что десятки бактериальных изолятов могут подавлять иммунитет, вызванный флагеллином.

Теперь они хотели бы лучше понять, почему эти ферменты могут быть выгодны как бактериям, так и их растениям-хозяевам. Одна из гипотез заключается в том, что разрушение жгутиков патогенов не позволяет им двигаться и проникать в корни растений.

Таким образом, это может подавлять как патогены, так и иммунную систему растений, — говорит Истман.

Альтернативная гипотеза заключается в том, что эти ферменты «подавляют иммунную систему, поэтому патоген может остаться незамеченным и вызвать больше заболеваний, чем в противном случае.

Последний сценарий был бы проблематичным при использовании этого явления для улучшения роста в сельском хозяйстве, поскольку он мог бы сделать растения более уязвимыми к болезням. Поэтому необходимо провести дополнительные исследования, считает Истмен.

Мы не хотим подрывать иммунную систему, но мы также хотим, чтобы растения сохраняли иммунный ответ для тех случаев, когда это действительно важно, — сказал он.

Мы хотим, чтобы они продолжали расти.

Ранее ученые выяснили, как защищаются от бактерий томаты.

03.01.2025