Епіфітна стратегія зростання-стимулюючі ризобактерії
Дуже ефективний біоконтроль фітопатогенів може здійснюватись мікроорганізмами, що створюють захисні бар'єри на поверхні коріння. Найбільш вивченими агентами такого захисту є бактерії роду Pseudomonas (P. chlororaphis, P. corrugata, P. fluorescens, P. putida), а також деякі видиSerratia (S. marcescens)іBacillus (В. cereus),відомі під загальною назвоюPGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria).Ці бактерії здатні запобігати інфікуванню рослин патогенними грибами(Fusarium, Trichoderma, Verticillium)з використанням різноманітних механізмів.
Найбільш вивчені механізми пов'язані з конкурентним винятком патогенів, який визначається їх прямим придушенням бактеріальними антибіотиками. Багато штамиPseudomonasпродукують феназини, наприклад, феназин-1-карбоксимід (PCN), активний протиFusarium oxysporum:бактеріальні мутації, що призводять до фенотипу PCN-, викликають втрату біоконтрольної функції. Транскрипція генів синтезу PCN активується в ризосфері господаря (а також у системахin silico) при дії кореневих ексудатів. Синтез цих антибіотиків може супроводжуватися виділенням бактеріями летких антифункційних метаболітів, наприклад, ціанідів, участь яких у біоконтролі патогенів була показана у дослідах із спільним культивуваннямPGPRтаFusarium.Важливий механізм придушення біоконтрольними мікробами фітопатогенів полягає у конкуренції за джерела живлення. Ефективними знаряддями в ній є бактеріальні сидерофори, які можуть мати набагато вищу спорідненість до іонів заліза, ніж сидерофори грибів. Важливість бактеріальних сидерофорів у біоконтролі патогенів була доведена звикористанням генетично модифікованих штамів PGPR з підвищеною або втраченою здатністю до синтезу цих факторів. Основними екологічними нішами, які займають PGPR, є зони активного виділення кореневих ексудатів, які можуть становити до 30 % рослинного фотосинтезу. Більшість PGPR зосереджена поверхні коренів, де бактерії формують колонії чи біоплівки. З використанням штамів, маркованих зеленим флуоресцентним білком (GFP) медузи, було показано, що бактерії не здійснюють активну колонізацію внутрішніх тканин кореня, лише в невеликих кількостях проникаючи в зовнішні тканини. що гени, що кодують бактеріальні фактори адгезії (ліпополісахариди, флагели), беруть активну участь у цьому типі захисту. Інактивація цих генів зазвичай призводить до втрати фітопротекторних функцій PGPR, тоді як підвищення активності генів (наприклад, при їх ампліфікації або підключенні до «сильних» промоторів) посилює дані функції. Мікроскопічні спостереження показали, що пригнічення зростання Fusarium> може бути з прикріпленням клітинP. chlororaphisне тільки до поверхні коренів, а й до гіф патогену. Завдяки цьому деякі штами PGPR здійснюють біоконтроль, виконуючи функції гіперпаразитів патогенних грибів або навіть мікофагів. Ці функції можуть бути пов'язані з виробленням бактеріями ферментів, що руйнують клітинні стінки патогену: наприклад,SerratiaіBacillusвиробляють позаклітинні хітінази, що інгібують розвиток патогену на різних стадіях, включаючи проростання конідій та розвиток гіфів.Логічно припустити, що захисні симбіонти рослин могли виникати в ході еволюції природних антагоністів фітопатогенних грибів. Однак іноді біоконтрольна активність PGPR не пов'язана з інтенсивною колонізацією коренів, і дуже ефективний захист від патогенів здійснюється невеликими кількостями бактеріальних клітин. Це відбувається тоді, коли інокуляція PGPR викликає розвиток у рослин індукованої системної стійкості (ISR, Induced Systemic Resistance), що робить коріння недоступним для проникнення патогенів. Спочатку ISR вважали специфічною для непатогенних систем і суттєво відрізняється від типової для патогенезу реакції SAR (Systemic Acquired Resistance): реакцію SAR характеризували участю як сигнали саліцилової кислоти і патогенів-регульованих (PR) білків, а ISR - участю жасмонату та етилену. Однак пізніше було показано, що обидва типи реакцій індукуються при патогенних та непатогенних взаємодіях та мало різняться за природою ендогенних елісіторів. Системні реакції обох типів можуть запускатися клітинами PGPR, що прикріпилися до поверхні коренів або проникли в їх зовнішні тканини. Деякі молекули, що продукуються PGPR (поверхневі ліпополісахариди або глюкани, компоненти флагел, екзоферменти, фітогормони, ефектори систем секреції III типу, сидерофори), можуть викликати захисні відповіді, специфічні для хазяїна. Фітопротекторні функції в ризосферу джерела живлення та енергії. Максимальна активність проявляється клітинами PGPR, що колонізують зону елонгації кореня, де бактерії найбільш численні. Важливість трофічних взаємодій при біоконтролі патогенів очевидна з того факту, що середrhi-генів, що специфічно активуються уP.fluorescensв ризосфері, переважають гени катаболічних процесів. 4>Azospirillum. Ця закономірність була підтверджена при мутаційному аналізі: мутантиP. fluorescensз порушеннями ферментів утилізації органічних кислот (наприклад, малатдегідрогенази) мають різко знижену біоконтрольну активність, тоді як мутанти за ферментами утилізації цукрів (глюкозо-6-фосфат дегідрогеназу) змін цієї активності не виявляли. Висока активність захисту рослин може бути пов'язана з їхньою здатністю регулювати функціонування PGPR, змінюючи склад кореневих ексудатів. Якщо атаковані патогенами рослини інокулювати PGPR, кількість органічних кислот в ексудатах зростає, стимулюючи зростання бактерій і продукцію антибіотиків. Крім того, деякі рослини (як бобові, так і небобові) можуть керувати життєдіяльністю PGPR, виділяючи спеціальні сигнали, які мімікують власні сигнали бактерій, які є регуляторами систем «почуття кворуму» (quorum sensing), що контролюють колонізацію коренів та антифункційні властивості. Істотну роль прояві біоконтрольних функцій ризобактерій грає синтез фітогормонів. Наприклад, максимальна біоконтрольна активність, що виявляєтьсяPseudomonasв ризосфері редису, може бути пов'язана з синтезом ІУК з триптофану кореневих ексудатів, кількість якого у редису в 30-100 разів вище, ніж у пшениці або томатів. У прояві захисних властивостей ризобактерій бере участь також фермент АЦК-деаміназу, що каталізує катаболізм АЦК (1-аміноциклопропан-1-карбоксилату).попередника фітогормону етилену. Шляхом аналізу здатності PGPR утилізувати АЦК як джерело азоту було показало, що цей фермент мають лише деякі штами PGPR. Перенесення структурних генів АЦК-деамінази з Erwinia cloacae в P. fluorescens супроводжується суттєвим зростанням здатності рекомбінантів пригнічувати патогенні гриби. 1) оптимальними для підтримки бактерій є органічні кислоти, що виділяються корінням, але не цукру; 2) етилен є негативним регулятором симбіозів; 3) поверхневі компоненти бактерій, такі як, екзо- і ліпополісахариди, лектини і глюкани , беруть участь у взаємодії. Більше того, при інокуляції модельного бобовогоMedicago Iruncatulaбіоконтрольним штамомPseudomonas fluorescensспостерігали активацію деяких рослинних генів, що є загальними для сигнальних каскадів, AM, наприклад, гена DMI3, що кодує кальцій-кальмодулін-залежну кіназу.