Biologiczna szczepionka dla roślin
Zniszczyliśmy środowisko i wiemy o tym. Stosujemy m.in. ogromne ilości pestycydów, aby pozbyć się grzybów czy bakterii chorobotwórczych. Długotrwałe ich stosowanie ma jednak negatywny wpływ nie tylko na środowisko, lecz również na człowieka. Dlatego naukowcy szukają naturalnych, skutecznych sposobów ochrony plonów. Takie badania prowadzimy także my – mówi prof. dr hab. Zofia Piotrowska-Seget z Wydziału Nauk Przyrodniczych UŚ, która wraz z dr Katarzyną Kasperkiewicz ze swojego zespołu, opowiada o bakteriach mogących się przyczynić do powstania biologicznej szczepionki dla roślin.
Naukowcy zainteresowali się przede wszystkim bakteriami endofitycznymi, czyli takimi, 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.
Wszystko zaczęło się od badań prowadzonych przez dr Katarzynę Kasperkiewicz, która analizowała mechanizmy tworzenia pęcherzyków przez Gram-ujemne bakterie z rodzaju Yersinia, wywołujące różne choroby w organizmie człowieka i zwierząt. – Sama struktura pęcherzyków wydała nam się niezwykle ciekawa. Zadaliśmy sobie pytanie, czy te mikroskopijne struktury występują również w organizmach roślinnych i czy mogą wpływać na fizjologię gospodarza. Tak narodził się pomysł na nowy projekt naukowy, którego celem jest charakterystyka molekularna pęcherzyków wytwarzanych przez dwa rodzaje bakterii endofitycznych – z rodzaju Rhizobium i Pseudomonas. Chcemy sprawdzić, czy stymulują poziom odporności swoich roślin-gospodarzy, a jeśli tak, to w jaki sposób – wyjaśnia prof. Zofia Piotrowska-Seget.
Dziś wiadomo, że 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. To bardzo ciekawa relacja. 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 – mówi dr Katarzyna Kasperkiewicz. Jak dodaje, sam proces ich tworzenia był już obserwowany wiele lat temu. Brakowało jednak narzędzi, aby można było sprawdzić, czym tak naprawdę są te niewielkie struktury o wielkości rzędu 200 nanometrów.
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 Katarzyna 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 z Uniwersytetu Śląskiego.
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 przez zespół prof. Zofii Piotrowskiej-Seget 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.
Projekt badawczy pn. „Charakterystyka molekularna pęcherzyków błony zewnętrznej endofitycznych bakterii z rodzaju Pseudomonas i Rhizobium oraz ocena ich roli w stymulowaniu indukowanej odpowiedzi systemicznej u roślin” (grant OPUS nr 2020/37/B/NZ8/008555) finansowany jest przez Narodowe Centrum Nauki. Badania prowadzi zespół mikrobiologii i biotechnologii środowiskowej w składzie: prof. dr hab. Zofia Piotrowska-Seget (lider), dr Katarzyna Kasperkiewicz, dr Magdalena Noszczyńska, dr Małgorzata Pawlik, dr Monika Malicka, dr Małgorzata Rudnicka, Iryna Bodnaruk, dr Piotr Siupka oraz dr Franco Magurno. Grant jest realizowany jako konsorcjum z Uniwersytetem Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie.
Małgorzata Kłoskowicz
Artykuł został opublikowany w "Gazecie Uniwersyteckiej UŚ" [nr 5 (305) luty 2023]
