Questi batteri eseguono un trucco che potrebbe mantenere le piante sane

Ora, gli ingegneri di Princeton hanno trovato una risposta in un luogo inaspettato: i batteri innocui, o talvolta benefici, che si raggruppano attorno alle radici delle piante.

In un articolo pubblicato il 24 dicembre sulla rivista Rapporti di cellai ricercatori hanno dimostrato che alcuni tipi di batteri del suolo possono influenzare l’equilibrio tra crescita e difesa di una pianta. I batteri producono un enzima che può abbassare l’attività immunitaria di una pianta e consentire alle sue radici di crescere più a lungo di quanto farebbero altrimenti.

“Si tratta di cercare di rispondere a una questione biologica davvero importante, alla quale non ci sono risposte valide: come i microbiomi si interfacciano con il sistema immunitario dell’ospite”, ha affermato l’autore senior dello studio Jonathan Conway, assistente professore di ingegneria chimica e biologica. “È un piccolo passo nella direzione di cercare di capire come i microbi vivono continuamente sugli ospiti – piante, esseri umani o altri animali – e non attivano costantemente le nostre risposte immunitarie”.

Per cercare batteri in grado di bilanciare il sistema immunitario, il team di Conway si è rivolto a piante progettate per aumentare la risposta immunitaria a una proteina che costituisce le appendici filiformi, chiamate flagelli, che consentono ai batteri di nuotare. La proteina che compone i flagelli, chiamata flagellina, è un potente innesco delle risposte immunitarie negli ospiti, dalle piante agli esseri umani.

I ricercatori hanno coltivato piantine di Arabidopsis – una piccola pianta della famiglia della senape comunemente utilizzata nella ricerca sulle piante – da una linea progettata per produrre alti livelli di recettori immunitari sensibili alla flagellina nelle sue radici. Quando crescono su piastre contenenti il ​​pezzo di flagellina che attiva questo recettore, le radici delle piantine sono corte e tozze, poiché la loro energia è diretta all’immunità più che alla crescita.

L’esperimento prevedeva la coltivazione delle piantine su piastre con flagellina e con 165 diverse specie batteriche isolate dalle radici di piante coltivate nel terreno. Arabidopsis. 68 di questi isolati, ovvero il 41%, hanno soppresso la risposta di crescita stentata riducendo l’immunità delle piante e consentendo alle loro radici di crescere più a lungo.

Una delle specie batteriche che permetteva alle radici di crescere meglio era Dyella japonica. Lavori precedenti avevano dimostrato che l’attività immunomodulante di questa specie dipendeva da un sistema di secrezione batterica, un complesso proteico in grado di spostare le sostanze dalle cellule batteriche all’ambiente, comprese le cellule vegetali o gli spazi tra le cellule vegetali.

Una scansione di D. japonicaIl genoma di ha rivelato un gene che codifica per un enzima secreto chiamato subtilasi, con la potenziale capacità di tagliare la flagellina in piccoli pezzi e impedirle di attivare la risposta immunitaria.

Il team ha utilizzato metodi genetici e biochimici per dimostrare che l’enzima subtilasi era effettivamente in grado di degradare il segmento specifico della flagellina che innesca la risposta immunitaria. La degradazione è stata sufficiente a ridurre la risposta immunitaria e consentire una maggiore crescita Arabidopsis piantine.

I ricercatori si sono imbattuti in alcuni intoppi nel tentativo di purificare l’enzima subtilasi, ha affermato Samuel Eastman, co-primo autore dell’articolo e ricercatore associato post-dottorato nel laboratorio di Conway. Ottenere proteine ​​pure è essenziale per dimostrare definitivamente la funzione di un enzima in una provetta.

Nel 2023, Eastman ha presentato un poster sul progetto in una conferenza a Providence, Rhode Island, ed è stato avvicinato da Todd Naumann, un chimico dell’Agricultural Research Service dell’USDA a Peoria, Illinois. Naumann ha affermato che la sua esperienza suggerisce che l’enzima potrebbe essere purificato dalle cellule di lievito, piuttosto che dai batteri.

Nel giro di un paio di mesi, Naumann purificò la proteina e la spedì a Princeton. “Ora possiamo fare chimica con esso e possiamo effettivamente osservarlo in vitro”, ha detto Eastman. “Siamo in grado di raggiungere un livello di indagine su questa proteina che non sarebbe stato possibile senza tale collaborazione.”

Naumann è un coautore dell’articolo, insieme ad altri otto ricercatori di Princeton oltre a Eastman e Conway. Il processo di screening e verifica di 165 isolati batterici è stato un lungo lavoro di squadra e sei studenti universitari sono stati parte integrante di questo e di altri aspetti del lavoro, ha affermato Conway. Britley Jones, membro della classe del 2023 di Princeton, ha svolto un ruolo chiave nello screening della raccolta batterica come parte della sua tesi di laurea.

Eastman condivide la paternità principale dell’articolo con il ricercatore associato Ting Jiang e Kaeli Ficco, laureata a Princeton nel 2024 e ora dottore di ricerca. studente alla Cornell University. Come parte della sua tesi, Ficco ha contribuito a progettare ceppi batterici mutanti che dimostravano un requisito genetico per il gene della subtilasi nella soppressione immunitaria e ha sviluppato lei stessa alcuni dei metodi sperimentali.

“Mi è piaciuto molto il modo in cui il progetto era basato sulla scoperta”, ha affermato Ficco. “Ciò ha sicuramente influenzato la mia traiettoria dopo Princeton.” Ora sta iniziando gli studi sulla regolazione dell’immunità da parte del microbioma umano.

Oltre ad analizzare l’enzima specifico prodotto da D. japonicail team ha scoperto che geni simili si trovano in molti comuni batteri del suolo e i loro test hanno dimostrato che dozzine di isolati batterici potrebbero sopprimere l’immunità indotta dalla flagellina.

Ora, vorrebbero capire meglio perché questi enzimi potrebbero essere vantaggiosi sia per i batteri che per le piante che li ospitano. Un’ipotesi è che tagliare i flagelli degli agenti patogeni impedisca loro di muoversi e invadere le radici di una pianta.

“Quindi, in questo modo potrebbe sopprimere gli agenti patogeni e il sistema immunitario delle piante”, ha detto Eastman. Un’ipotesi alternativa è che questi enzimi stiano “sopprimendo il sistema immunitario, quindi un agente patogeno potrebbe non essere rilevato e causare più malattie di quanto farebbe altrimenti”.

Quest’ultimo scenario sarebbe problematico nello sfruttare questo fenomeno per migliorare la crescita negli ambienti agricoli, perché potrebbe rendere le piante più vulnerabili alle malattie. Quindi sono necessari ulteriori studi, ha affermato Eastman.

“Non vogliamo compromettere il sistema immunitario, ma vogliamo anche che le piante conservino quella risposta immunitaria per quando è importante”, ha affermato. “Vogliamo che mantengano la calma e continuino a crescere.”