Исследование, проведенное в Бразильском центре исследований в области энергетики и материалов (CNPEM), показало, что три штамма бактерий Pseudomonas могут ингибировать рост и даже вызывать гибель грибка, ответственного за ананасовую гниль, болезнь, поражающую сахарный тростник, особенно в посевной сезон.
Результаты представлены в статье, опубликованной в журнале Environment Microbiology , журнала Общества прикладной микробиологии Соединенного Королевства, и могут послужить основой для разработки биологических фунгицидов в качестве альтернативы химическим пестицидам, используемым в настоящее время для борьбы с болезнью.
Было обнаружено, что три штамма Pseudomonas ингибируют in vitro до 80% роста мицелия Thielaviopsis ethacetica, грибка, который живет в почве и проникает в стебли сахарного тростника через порезы или раны. Болезнь может уменьшить бутонизацию и, следовательно, урожайность на целых 50%. Мицелии представляют собой массу разветвленных трубчатых нитей (гиф), напоминающих корневую систему, через которые грибы поглощают питательные вещества из окружающей среды.
Бактерии произвели 62 летучих органических соединения (ЛОС), которые подавляли гены, связанные с метаболизмом углеводов, необходимым для роста грибов. ЛОС являются основными продуктами метаболизма бактерий и могут быть жидкими или газообразными, легко испаряющимися при комнатной температуре. Среди их преимуществ — способность преодолевать большие расстояния при возделывании сельскохозяйственных культур.
«Мы впервые увидели, что молекула действует прямо или косвенно на ДНК патогена, вызывая повреждение грибка. Это соединение разрушает ДНК грибка. наращивать силу в этом направлении исследований и стать ведущим источником знаний о таких молекулах в нашей стране», — сказала Agência FAPESP последний автор статьи Джулиана Веласко де Кастро Оливейра. Она является исследователем в Бразильской национальной лаборатории биовозобновляемых источников энергии CNPEM (LNBR).
С помощью транскриптомного анализа грибковой реакции на ЛОС, в ходе которого они идентифицировали и количественно оценили экспрессию новых или ранее известных генов, а также исследования с помощью электронной микроскопии , ученые обнаружили изменения в экспрессии важных генов и критические морфологические изменения в обработанном мицелии. с ЛОС, доказывая, что они препятствуют росту грибков и могут даже привести к гибели клеток.
«Нам удалось найти бактериальные штаммы, которые эффективно контролировали этот грибок, наносящий серьезный ущерб плантациям сахарного тростника», — сказал Оливейра. «Мы также идентифицировали молекулы, которые не были описаны как способные убивать грибок, и доказали, что они повреждают его ДНК — свойство, мало описанное в литературе».
Ананасовая гниль — это болезнь, поражающая несколько тропических культур, но в Бразилии она оказывает значительное влияние на урожайность сахарного тростника. Грибок препятствует прорастанию или полному развитию черенков (или брусчатки, сегментов тростника, из которых образуются новые стебли), уничтожая части плантации. По мере размножения гриба внутри растения волокна стебля краснеют, постепенно темнеют и покрываются спорами. Ферментация, вызванная патогеном, выделяет ананасовый запах.
Заболеваемость в последние годы увеличилась, и в настоящее время она является одной из наиболее частых на тростниковых полях. Бразилия является мировым лидером по выращиванию сахарного тростника. В 2020-21 сельскохозяйственном году было собрано 654,5 млн метрических тонн, из которых произведено 41,2 млн тонн сахара и 29,7 млрд литров этанола.
Методы управления культурами, такие как отбор рассады и хорошая обработка почвы, могут помочь предотвратить гниль ананасовой косточки, но для борьбы с инфекцией необходимы агрохимикаты, которые могут быть опасны для окружающей среды и здоровья человека, если они не применяются с осторожностью.
«Бразилия — сельскохозяйственная электростанция, — сказал Оливейра. «Мы знаем, что химические пестициды еще не могут быть полностью заменены биологическими альтернативами, но благодаря дополнительным исследованиям, подобным нашим, их предложение на рынке может увеличиться, они станут устойчивыми альтернативами и помогут снизить зависимость Бразилии от импорта».
По данным Министерства экономики, ежегодно Бразилия импортирует более 330 000 метрических тонн инсектицидов, гербицидов и фунгицидов. Кроме того, в период с 2019 по 2021 год производители разрешили использовать не менее 1500 новых пестицидов.
Новые технологии
Исследователи начали с проверки 7000 с лишним бактерий из разных видов почвы и корней в коллекции микроорганизмов LNBR. Они отобрали 70 бактерий, принадлежащих к нескольким родам и из разных частей Бразилии, таких как штаты Токантинс, Мату-Гросу и Сан-Паулу. Этот образец был подвергнут испытаниям in vitro для оценки способности бактерий ингибировать рост грибка. Три штамма Pseudomonas, идентифицированные как наиболее эффективные в этом отношении, были подтверждены генетическим секвенированием.
Теперь они приступили к новой фазе с целью обнаружения видов, к которым принадлежат штаммы. «Мы знаем, что они разные, но пока не уверены в идентификации вида», — сказал Оливейра. «Чтобы прийти к определению, мы должны выполнить секвенирование всего генома этих бактерий. На самом деле, мы уже отмечали, что одна из них должна принадлежать к виду, который еще предстоит описать. Мы попытаемся описать его вкратце, в партнерство с UNICAMP [Университет Кампинас в Сан-Паулу]».
В исследовательской группе участвуют ученые, связанные с Программой аспирантуры UNICAMP в области генетики и молекулярной биологии и Федеральным университетом Лавры (UFLA) в штате Минас-Жерайс. «В наши дни невозможно проводить исследования самостоятельно, особенно когда вы исследуете новую область. Сотрудничество важно для объединения различных видов опыта», — пояснила она.
В Бразильской лаборатории синхротронного света CNPEM (LNLS), которая управляет Sirius, бразильским ускорителем частиц четвертого поколения, спектроскопический анализ подтвердил способность биомолекул повреждать ДНК грибов. Инфракрасный свет и другие высокочувствительные методы были использованы для выявления этого свойства биомолекул.
Кроме того, серьезные морфологические изменения мицелия были выявлены с помощью просвечивающей и сканирующей микроскопии в Бразильской национальной лаборатории нанотехнологий CNPEM (LNNano).
