Епифитни стратегии за насърчаване на растежа на ризобактерии
Много ефективен биоконтрол на фитопатогените може да се осъществи от микроорганизми, които създават защитни бариери на повърхността на корена. Най-изследваните агенти за такава защита са бактериите от родPseudomonas (P. chlororaphis, P. corrugata, P. fluorescens, P. putida),както и някои видовеSerratia (S. marcescens)иBacillus (B. cereus),известни под общото наименованиеPGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria) ).Тези бактерии са в състояние да предотвратят патогенните гъби(Fusarium, Trichoderma, Verticillium)от заразяване на растенията, използвайки различни механизми.
Най-изследваните механизми са свързани с конкурентното изключване на патогени, което се определя от директното им потискане от бактериални антибиотици. Много щамове наPseudomonasпроизвеждат феназини, напр. феназин-1-карбоксимид (PCN), който е активен срещуFusarium oxysporum:бактериални мутации, водещи до PCN-фенотип, причиняват загуба на биоконтролна функция. Транскрипцията на гени за синтез на PCN се активира в ризосферата на гостоприемника (както и в системиin silico), когато е изложена на коренови ексудати. Синтезът на тези антибиотици може да бъде придружен от освобождаване на летливи противогъбични метаболити, като цианиди, от бактерии, чието участие в биоконтрола на патогените е показано в експерименти със съвместното култивиране наPGPRиFusarium.Важен механизъм за потискане на фитопатогените от биоконтролиращи микроби е конкуренцията за хранителни източници. Ефективни инструменти в него са бактериалните сидерофори, които могат да имат много по-висок афинитет към железните йони от гъбичните сидерофори. Значението на бактериалните сидерофори в биоконтрола на патогените е доказано сизползване на генетично модифицирани щамове на PGPR с повишена или загубена способност за синтезиране на тези фактори. Конкурентното изключване на растителни патогени е най-успешно, когато бактериите показват висока активност на колонизация на корените. Основните екологични ниши, заети от PGPR, са зони на активно освобождаване на коренови ексудати, които могат да представляват до 30% от фотосинтезата на растенията. По-голямата част от PGPR е концентрирана върху повърхността на корена, където бактериите образуват колонии или биофилми. Използвайки щамове, белязани със зеления флуоресцентен протеин (GFP) на медузите, беше показано, че бактериите не колонизират активно вътрешните тъкани на корена, прониквайки само в малки количества във външните тъкани. Значението на колонизацията на корена за проявата на защитните свойства на ризобактериите е очевидно от факта, че гените, кодиращи бактериалните адхезионни фактори (липополизахариди, флагели), участват активно в този вид защита. Инактивирането на тези гени обикновено води до загуба на фитозащитните функции на PGPR, докато увеличаването на генната активност (например, когато те са амплифицирани или свързани със "силни" промотори) подобрява тези функции. Микроскопските наблюдения показват, че инхибирането на растежа наFusariumможе да бъде свързано с прикрепването наP клетки. chlororaphisне само към повърхността на корените, но и към хифите на патогена. Поради това, някои щамове на PGPR упражняват биоконтрол, като действат като хиперпаразити на патогенни гъбички или дори микофаги. Тези функции могат да бъдат свързани с производството на ензими от бактерии, които разрушават клетъчните стени на патогена: напримерSerratiaиBacillusпроизвеждат извънклетъчни хитинази, които инхибират развитието на патогена на различни етапи, включително покълването на конидии и развитието на хифи.Логично е да се предположи, че защитни растителни симбионти могат да възникнат по време на еволюцията на естествени антагонисти на фитопатогенни гъби. Въпреки това, понякога биоконтролната активност на PGPR не е свързана с интензивна колонизация на корените и много ефективна защита срещу патогени се осъществява от малки количества бактериални клетки. Това се случва, когато инокулацията с PGPR причинява развитие на индуцирана системна резистентност (ISR) в растенията, което прави корените недостъпни за проникване на патогени. Първоначално ISR се счита за специфичен за непатогенни системи и значително различен от SAR реакцията (системна придобита резистентност), типична за патогенезата: SAR реакцията се характеризира с участието на салицилова киселина и патогенно-регулирани (PR) протеини като сигнали, а ISR се характеризира с участието на жасмонат и етилен. По-късно обаче беше показано, че и двата типа реакции са предизвикани от патогенни и непатогенни взаимодействия и се различават малко по естеството на ендогенните елиситори. Системните реакции от двата типа могат да бъдат предизвикани от PGPR клетки, прикрепени към повърхността на корена или проникващи във външните им тъкани. Някои молекули, произведени от PGPR (повърхностни липополизахариди или глюкани, компоненти на камшичета, екзоензими, фитохормони, ефектори на системи за секреция тип III, сидерофори) могат да индуцират специфични за гостоприемника защитни реакции. Фитопротективните функции на PGPR се извършват под пряк контрол на гостоприемника, който освобождава източници на хранене и енергия в ризосферата. Максималната активност се проявява чрез PGPR клетки, колонизиращи зоната на удължаване на корена, където бактериите са най-многобройни. Значението на трофичните взаимодействия в биоконтрола на патогените е очевидно от факта, че средrhiгените, специфично активирани вP.fluorescensв ризосферата преобладават гени за катаболни процеси. Активният растеж и свързаната с биоконтрол експресия на PGPR гени са най-зависими от получените от растения органични киселини, а не от захари, което прави защитните асоциации подобни на азотфиксиращите асоциации в корените иAzospirillum.Този модел е потвърден от мутационен анализ:P. fluorescensс нарушени ензими за използване на органични киселини (например малат дехидрогеназа) имат рязко намалена биоконтролна активност, докато мутанти за ензими за използване на захар (глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа) не показват промени в тази активност. Високата растителна защитна активност може да бъде свързана с тяхната способност да регулират функционирането на PGPR чрез промяна на състава на кореновите ексудати. Когато атакуваните от патогени растения се инокулират с PGPR, количеството органични киселини в ексудатите се увеличава, стимулирайки бактериалния растеж и производството на антибиотици. В допълнение, някои растения (както бобови, така и небобови) могат да контролират жизнената активност на PGPR чрез освобождаване на специални сигнали, които имитират собствените сигнали на бактериите, които са регулатори на системите за „усещане на кворума“, които контролират колонизацията на корените и противогъбичните свойства. Синтезът на фитохормони играе важна роля в проявата на биоконтролните функции на ризобактериите. Например, максималната биоконтролна активност, проявена отPseudomonasв ризосферата на репичките, може да бъде свързана със синтеза на IAA от ексудатите на корена триптофан, чието количество в репичките е 30-100 пъти по-високо, отколкото в пшеницата или доматите. Проявата на защитните свойства на ризобактериите също включва ензима ACC-deaminase, който катализира катаболизма на ACC (1-аминоциклопропан-1-карбоксилат) -прекурсор на фитохормона етилен. Чрез анализиране на способността на PGPR да използва ACC като източник на азот, беше показано, че само някои щамове на PGPR притежават този ензим. Прехвърлянето на структурни гени на ACC деаминаза отErwinia cloacae към P. fluorescensе придружено от значително повишаване на способността на рекомбинантите да потискат патогенните гъбички. По този начин, защитните асоциации на корените с PGPR включват редица механизми, подобни на симбиозата на бобово растение и ризобий: 1) органични киселини, секретирани от корените, но не захари, са оптимални за поддържане на бактерии; 2) етиленът е отрицателен 3) повърхностните компоненти на бактериите, като екзо- и липополизахариди, лектини и глюкани, участват във взаимодействието. Освен това, когато моделното бобово растениеMedicago Iruncatulaбеше инокулирано с биоконтролен щамPseudomonas fluorescens, активирането на някои растителни гени, които са общи за сигнални каскади, участващи в образуването на грудки, бяха наблюдавани kov и AM, например генът DMI3, кодиращ калций-калмодулин-зависима киназа.