Uma espécie de bactéria que infecta plantações de milho obriga seus hospedeiros a produzir um banquete de nutrientes que mantém os patógenos vivos e prosperando muito antes de começarem a matar as células da planta, de acordo com uma nova pesquisa de Irene Gentzel e colegas. O estudo em plantas jovens de milho revela que essas bactérias não apenas geram alimentos para si mesmas nas plantações que habitam, mas também extraem das plantas a água que sustenta a vida.
Embora as condições de laboratório não representem exatamente o que acontece no campo, a pesquisa fornece informações sobre processos fundamentais para a capacidade de um patógeno causar uma doença do milho prevalente no centro e nordeste dos EUA chamada murcha de Stewart. Essas bactérias também estão criando problemas para as plantações de arroz e jaca em partes do hemisfério oriental.
Ao confirmar que um fator de virulência bacteriana, uma proteína chamada WtsE, inicia a mobilização de alimentos e água em espaços onde as bactérias residem, o estudo estabelece as bases para a futura criação de plantas que podem frear essas táticas de sobrevivência bacteriana. As práticas atuais de criação de milho são baseadas em pesquisas anteriores que se concentraram em aumentar a resposta imune das plantas a essas bactérias infecciosas, uma espécie conhecida como Pantoea stewartii.
Em seu artigo, Gentzel e colegas escrevem: “Além da disponibilidade de água, a aquisição de nutrientes é crítica para o crescimento de patógenos de plantas. Durante a biotrofia, alguns patógenos fúngicos e oomicetos obtêm nutrientes através da formação de haustórios, estruturas de alimentação que fornecem contato íntimo por meio de invaginações nas células vegetais vivas. Os patógenos necrotróficos, por outro lado, obtêm nutrientes de células vegetais mortas e mortas. Para bactérias hemibiotróficas, não está claro se os nutrientes disponíveis no apoplasto de uma planta não infectada são suficientes para suportar o alto nível de proliferação observado durante a fase biotrófica da infecção, que ocorre antes da necrose”.
Os cientistas começaram a examinar se as bactérias não estavam apenas tentando usar ferramentas bioquímicas para suprimir as defesas das plantas, mas também para promover a entrega de nutrientes aos patógenos.
Principal autor do estudo e professor de horticultura e ciência agrícola na Ohio State University, David Mackey disse em um comunicado de imprensa, “Ninguém demonstrou antes que um fluxo dinâmico de nutrientes da planta para a bactéria suporta a proliferação da bactéria durante os estágios iniciais da infecção. Nossas descobertas revelam um frenesi de alimentação bacteriana”.
“Não houve esforços direcionados para controlar a disponibilidade de nutrientes como um meio de controlar Pantoea stewartii, ou outras bactérias patogênicas de plantas que dependem de proteínas semelhantes a WtsE para sua virulência. Isso abre uma oportunidade para examinarmos o mecanismo de como o WtsE realiza isso. Como ele está manipulando as células vegetais?”
A pesquisa, publicada em Hospedeiro celular e micróbio, concentra-se em uma fase chamada biotrofia: depois de infectar uma planta, a bactéria inicialmente parasita as células hospedeiras vivas e se multiplica dramaticamente. Só mais tarde as bactérias começam a matar as células vegetais para liberar mais nutrientes e causar doenças.
No campo, os besouros pulga do milho carregam Pantoea stewartii e depositam as bactérias em locais de feridas que os besouros criam quando se alimentam de caules e folhas de colheitas. As infecções então se espalham de forma desigual a partir desses locais.
Para este estudo, Mackey e colegas infiltraram mudas de milho com uma dose poderosa da bactéria infecciosa, criando uma série de folhas uniformemente infectadas. Esse sistema modelo possibilitou aos pesquisadores determinar que a liberação de nutrientes e água precedia a morte das células vegetais.
A equipe se concentrou em observar as ações do WtsE, uma de uma classe de proteínas em bactérias patogênicas conhecidas como efetores do tipo III. Essas proteínas são transportadas da bactéria para as células vegetais infectadas para suprimir a imunidade da planta e, como descoberto no caso da Pantoea stewartii, promover a disponibilidade de água e alimentos.
Toda essa atividade ocorre no apoplasto, um compartimento relativamente seco no interior de um tecido vegetal, mas fora das células vegetais. Essa secura é relevante, pois um dos truques do WtsE é promover a disponibilidade de água nesse espaço. Uma das principais hipóteses é que essa condição, chamada de “encharcamento de água”, resulta de células vegetais mortas derramando seu conteúdo no apoplasto quando as bactérias iniciam seu ataque letal.
“Esse é um dos principais pontos que mostramos: a infecção faz com que a água se acumule no apoplasto bem antes de matar as células vegetais. É um processo ativo e depende do efetor WtsE”, disse Mackey.
E então, uma vez hidratado, o apoplasto começa a se encher de nutrientes que funcionam como fontes de nitrogênio e carbono para as bactérias – açúcares, aminoácidos e ácidos orgânicos que são gerados e consumidos em quantidades muito maiores do que as existentes no apoplasto de uma planta saudável .
Os pesquisadores confirmaram o enorme tamanho da festa ao remover as bactérias das plantas e medir quanto carbono e nitrogênio elas absorveram em um período específico de tempo – que foi 6 e 30 vezes maior, respectivamente, do que o presente no apoplasto. de uma planta não infectada.
“Não é como se a bactéria chegasse e comesse o que já estava disponível”, disse Mackey. “As plantas estão abrindo mão de fontes de carbono e nitrogênio no apoplasto, onde são assimiladas pelas bactérias. Além disso, as redes metabólicas das plantas respondem ao esgotamento produzindo mais desses compostos. É um processo realmente dinâmico e o efetor WtsE conduz esse processo.”
O papel do efetor foi confirmado geneticamente – bactérias mutantes sem WtsE foram incapazes de realizar essas mesmas tarefas. Com essas descobertas, o laboratório de Mackey agora está posicionado para identificar como o WtsE é capaz de coagir o milho a cumprir suas ordens - e especificamente, quais proteínas vegetais o efetor sequestra para obter ajuda - o que poderia informar futuras práticas de reprodução resistentes.
PESQUISA ORIGINAL
Gentzel, I., Giese, L., Ekanayake, G., Mikhail, K., Zhao, W., Cocuron, J.-C., Alonso, AP e Mackey, D. (2022) “Aquisição dinâmica de nutrientes de um o apoplasto hidratado suporta a proliferação biotrófica de um patógeno bacteriano do milho”, Hospedeiro celular e micróbio, https://doi.org/10.1016/j.chom.2022.03.017
