گیاهان دائماً بین رشد و دفاع در برابر باکتری‌های مضر انرژی خود را مدیریت می‌کنند. اگرچه نحوه حفظ این تعادل تا مدت‌ها نامشخص بود، پژوهشگران دانشگاه پرینستون دریافته‌اند که برخی از باکتری‌های خاک نقشی حیاتی در تنظیم پاسخ‌های ایمنی گیاهان دارند و به این ترتیب امکان رشد مؤثرتر را برای گیاهان فراهم می‌کنند.
«هدف ما پاسخ به یکی از پرسش‌های بزرگ زیست‌شناسی است که هنوز پاسخ قاطعی برای آن وجود ندارد – یعنی اینکه میکروبیوم‌ها چگونه با سیستم ایمنی میزبان تعامل دارند»،
این پژوهش که در مجله Cell Reports منتشر شده است، نشان می‌دهد که چگونه میکروب‌های خاصی آنزیم‌هایی تولید می‌کنند که می‌توانند فعالیت ایمنی گیاه را سرکوب کنند و به این ترتیب باعث رشد بهتر ریشه‌ها شوند.
بررسی پاسخ‌های ایمنی با استفاده از گیاهان مدل
برای بررسی تعامل بین گیاهان و میکروب‌ها، پژوهشگران بر روی گیاه آرابیدوپسیس تمرکز کردند؛ گیاه کوچکی که معمولاً در مطالعات علمی استفاده می‌شود. آنها آرابیدوپسیس را به‌طور ژنتیکی مهندسی کردند تا حساسیت ایمنی آن نسبت به فلاژلین – پروتئینی باکتریایی که پاسخ ایمنی را تحریک می‌کند – افزایش یابد.
این تغییر موجب شد که ریشه‌های گیاه کوتاه‌تر شوند، زیرا انرژی گیاه به جای رشد ریشه، به دفاع ایمنی اختصاص یافت.
تیم پژوهشی ۱۶۵ گونه باکتری جدا شده از خاک حاوی آرابیدوپسیس را به گیاهان معرفی کردند. به‌طور شگفت‌انگیزی، ۶۸ مورد از این گونه‌ها (حدود ۴۱ درصد) با سرکوب پاسخ ایمنی گیاه، رشد محدود شده ریشه را کاهش دادند.
یکی از گونه‌های برجسته، Dyella japonica، توانایی چشمگیری در رشد بیشتر ریشه‌ها با تعدیل فعالیت ایمنی نشان داد.
کشف نقش آنزیمی کلیدی
بررسی بیشتر روی D. japonica وجود ژنی را نشان داد که آنزیم subtilase تولید می‌کند. این آنزیم قادر بود بخشی از فلاژلین که موجب تحریک پاسخ ایمنی گیاه می‌شد را تخریب کند.
با استفاده از ابزارهای ژنتیکی و بیوشیمیایی، پژوهشگران تأیید کردند که آنزیم subtilase به‌طور مؤثری قطعه فلاژلین را تجزیه کرده، پاسخ ایمنی را کاهش داده و رشد ریشه را تقویت می‌کند.
با این حال، خالص‌سازی آنزیم subtilase چالش‌های زیادی به همراه داشت. در یک کنفرانس، ساموئل ایستمن، پژوهشگر پسادکترا و یکی از نویسندگان اصلی، با تاد ناومن، شیمیدان وزارت کشاورزی آمریکا، ارتباط برقرار کرد که پیشنهاد داد آنزیم را به جای باکتری‌ها با استفاده از سلول‌های مخمر خالص کنند.
ایستمن توضیح داد: ظرف چند ماه، ناومن موفق به خالص‌سازی آنزیم شد و آن را به پرینستون ارسال کرد. «حالا می‌توانیم آزمایش‌های شیمیایی روی آن انجام دهیم و این عملکرد را در محیط آزمایشگاهی بررسی کنیم». این همکاری امکان مطالعات دقیق‌تر در مورد عملکرد آنزیم را فراهم کرد.
مطالعه گسترده روی گیاهان و باکتری‌های خاک
این پژوهش نتیجه تلاش تیمی با مشارکت چندین پژوهشگر و دانشجو بود. غربالگری ۱۶۵ ایزوله باکتریایی و تأیید اثرات ایمنی-تعدیلی آنها نیازمند کار گسترده‌ای بود.
ایستمن گفت: «ما توانستیم به سطحی از بررسی در مورد این پروتئین برسیم که بدون این همکاری ممکن نبود.»
دانشجویان نقش مهمی در این پروژه داشتند، از جمله بریتلی جونز، فارغ‌التحصیل پرینستون، که غربالگری ایزوله‌های باکتریایی را برای پایان‌نامه ارشد خود انجام داد.
کائلی فیکو، یکی دیگر از نویسندگان اصلی که اکنون دانشجوی دکترا در دانشگاه کرنل است، باکتری‌های جهش‌یافته را مهندسی کرد تا نیاز ژنتیکی به ژن subtilase برای سرکوب ایمنی را تأیید کند. «من واقعاً از این پروژه کشف‌محور لذت بردم»، فیکو گفت و توضیح داد که این کار مسیر تحقیقاتی او را تحت تأثیر قرار داده است.
پیامدهای گسترده برای سلامت ایمنی گیاهان
علاوه بر مطالعه آنزیم subtilase در D. japonica، پژوهشگران ژن‌های مشابهی را در بسیاری از باکتری‌های دیگر خاک شناسایی کردند. آزمایش‌های آنها نشان داد که ده‌ها ایزوله باکتریایی می‌توانند ایمنی القاشده توسط فلاژلین را در گیاهان سرکوب کنند. این نشان می‌دهد که این مکانیسم ممکن است در میکروبیوم گیاهان گسترده باشد.
تیم پژوهشی اکنون در حال بررسی است که چرا این آنزیم ممکن است برای گیاهان و باکتری‌ها مفید باشد. یکی از فرضیه‌ها این است که تجزیه فلاژل‌های بیماری‌زا توانایی باکتری‌های مضر در تهاجم به ریشه‌های گیاه را کاهش می‌دهد.
ایستمن گفت: «بنابراین، از این نظر، ممکن است این آنزیم هم عوامل بیماری‌زا و هم سیستم ایمنی گیاه را سرکوب کند.» به‌طور متناوب، آنزیم ممکن است به برخی باکتری‌ها اجازه دهد تا از دفاع گیاه عبور کنند، که احتمالاً گیاهان را در برابر بیماری آسیب‌پذیرتر می‌کند.
این دوگانگی پرسش‌هایی را درباره کاربرد این یافته‌ها در کشاورزی ایجاد می‌کند. ایستمن تأکید کرد: «ما نمی‌خواهیم سیستم ایمنی گیاهان را تضعیف کنیم، اما همچنین می‌خواهیم گیاهان این پاسخ ایمنی را برای مواقع ضروری ذخیره کنند.» هدف نهایی این است که به گیاهان کمک کنیم «آرام بمانند و رشد کنند.»
جهت‌گیری‌های آینده پژوهش
مطالعات بیشتری برای درک بهتر چگونگی بهره‌گیری از این آنزیم‌ها در محیط‌های کشاورزی بدون افزایش حساسیت گیاهان به عوامل بیماری‌زا مورد نیاز است.
با روشن کردن رابطه بین میکروب‌های خاک و ایمنی گیاه، این پژوهش مسیرهای امیدوارکننده‌ای برای بهینه‌سازی رشد محصولات کشاورزی در عین حفظ مقاومت در برابر بیماری ارائه می‌دهد.
این کار گامی مهم در جهت کشف پویایی‌های پیچیده بین میزبان‌های گیاهی و میکروبیوم‌های آنها است و نشان می‌دهد که چگونه می‌توان این تعاملات را برای حمایت از کشاورزی پایدار به کار گرفت.
