Грибные патогены, такие как фузариоз или вертициллез, наглядно иллюстрируют проблемы сельскохозяйственной производительности и устойчивости. Только виды Fusarium ответственны за снижение годовой урожайности примерно на 14%, в то время как Verticillium dahliae может вызвать потери урожая до 50% у восприимчивых культур, таких как картофель и хлопчатник. В связи с критикой агрохимических фунгицидов возникает потребность в биологических альтернативах и комплексном подходе. Перспективного бактериального кандидата на производство новых СЗР ученые нашли в пустыне.
Эффективные традиционным фунгицидам альтернативные стратегии включают интегрированную борьбу с вредителями, севооборот, биопестициды и разработку устойчивых к болезням сортов растений.
Недавние исследования подчеркивают использование биологических антагонистов, таких как эндофитные бактерии, в качестве экологически чистых агентов биологического контроля для борьбы с болезнями растений.
Такие бактерии устанавливают симбиотические отношения с растениями-хозяевами и производят биологически активные соединения, которые повышают выживаемость растений, одновременно подавляя патогены.
Например, лекарственное растение тимьян розовый, Thymus roseus, было идентифицировано как источник эндофитных актинобактерий с широким спектром антимикробных свойств, что предлагает многообещающие решения для устойчивой защиты урожая. Streptomyces polyantibioticus, выделенные из T. roseus, показали коэффициенты ингибирования грибов до 67,1%, 64,2% и 70,6% против Alternaria solani, Valsa malicola и Valsa mali соответственно. Кроме того, ученые успешно выделили Streptomyces albidoflavus из розового тимьяна с противогрибной активностью против Fusarium spp.
И это лишь один из примеров. Подобные полезные энтофитные бактерии можно обнаружить в самых неожиданных местах – в пустыне. Так, команда исследователей под руководством профессора Ли Вэньцзюня из Синьцзянского института экологии и географии Китайской академии наук установила, что пустынная эндофитная бактерия Nocardiopsis alba B57 может одновременно бороться с патогенными грибами и стимулировать рост растений, предлагая жизнеспособную альтернативу химическим фунгицидам.
Новые биотехнологии и метаболомика произвели революцию в открытии новых агентов биологического контроля. Метаболомика обеспечивает всеобъемлющую структуру для идентификации и профилирования метаболитов, позволяя лучше понять биохимические взаимодействия между растениями и патогенами. Метаболомика способствовала разработке биопестицидов, полученных из бактериальных штаммов (например, Streptomyces spp.), которые производят биоактивные соединения и вторичные метаболиты с противогрибными свойствами
В этом исследовании тестировалась эффективность Nocardiopsis alba B57 в производстве вторичных метаболитов с противогрибными и стимулирующими рост растений свойствами. Нецелевая метаболомика с использованием сверхвысокоэффективной жидкостной хроматографии (UPLC-MS/MS) и анализов путей Киотской энциклопедии генов и геномов (KEGG) идентифицировала ключевые метаболиты (например, карбапенем, менахинон и фумихиназолин) в среде совместного культивирования с грибными патогенами. Кроме того, анализ главных компонентов и дифференцированные метаболические профили монокультуры и совместного культивирования OPLS-DA выявили биосинтез карбапенемов как высокообогащенный путь.
Комплексные метаболомные данные и статистический анализ выявленных метаболитов подтвердили, что совместное культивирование B57 и штаммов грибов привело к повышению уровня экспрессии метаболитов (например, карбапенема и менахинона). Однако уровень других метаболитов (например, мупироцина) снизился и был значительно подавлен. Эти изменения метаболической активности отражают адаптивные и конкурентные реакции организма в условиях совместного культивирования с грибными патогенами и влияют на сигнальные пути фитогормонов (например, ауксина и цитокинина), способствуя росту растений и повышению устойчивости к болезням.
Результаты подчеркивают адаптивный биосинтетический ответ B57 на условия совместного культивирования, что подтверждает его использование в качестве устойчивого агента биологического контроля и повышения продуктивности сельскохозяйственных культур.
«Один из важных метаболитов, карбапенем (β-лактамный антибиотик), известен своим широким спектром антимикробного действия, особенно в отношении грамотрицательных бактерий и некоторых грибов. Наблюдаемое повышение уровня карбапенема в условиях совместного культивирования указывает на его потенциал для усиления защитных механизмов растений от грибковых патогенов путём эффективного подавления их роста и пролиферации. Эта характеристика позиционирует карбапенемы как значимого игрока в биохимическом арсенале растений против инфекций. Таким образом, метаболомный анализ, проиллюстрировал сложный биосинтетический путь антибиотиков карбапенемов, подчеркивая ключевую роль аминокислот, таких как аргинин и пролин, в процессе синтеза. Этот путь включает каскад ферментативных реакций и метаболических промежуточных продуктов, демонстрируя биохимическую сложность, лежащую в основе производства карбапенемов. Биосинтез карбапенемов инициируется метаболическими предшественниками, в частности L-глутаматом и L-пролином, которые образуются в результате метаболизма аргинина и пролина. Эти аминокислоты служат фундаментальными строительными блоками, связывая основные метаболические пути со специализированным биосинтезом карбапенемов. Эта зависимость от путей незаменимых аминокислот подчеркивает эволюционную эффективность микробных систем в повторном использовании первичных метаболитов для производства вторичных метаболитов», - акцентируют авторы исследования.
Антибиотики группы карбапенемов являются одними из самых эффективных средств против бактериальных инфекций с множественной лекарственной устойчивостью, что делает их незаменимыми в различных применениях. Кроме того, одобренные FDA (Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США) липопептиды даптомицин и далбаванцин, а также новые карбапенемы, такие как тиенамицин, являются предшественниками противогрибковых препаратов, таких как нистатин и кандицидин. Более глубокое понимание их биосинтеза может облегчить биоинженерные подходы к повышению эффективности производства или разработке новых производных, способных преодолевать различные фитопатогены.
Другой метаболит, менахинон (витамин К2), участвует в различных биологических процессах, включая транспорт электронов у бактерий. Менахиноны играют важную роль в росте и развитии растений. Этот вариант витамина К2 в основном синтезируется некоторыми бактериями и имеет значение для здоровья растений и круговорота питательных веществ.
Менахинон участвует в цепи переноса электронов, что имеет решающее значение для клеточного дыхания растений, способствуя производству энергии, выступая в качестве переносчика электронов, тем самым повышая эффективность процессов фотосинтеза и дыхания. Известно, что менахиноны регулируют уровень кальция в растительных клетках. Эта регуляция жизненно важна для различных физиологических процессов, включая деление клеток, удлинение и общий рост.
Правильный уровень кальция способствует структурной целостности растительных клеток и влияет на усвоение питательных веществ. Экологические стрессоры, такие как засоление или засуха, могут отрицательно влиять на рост растений. Было показано, что менахинон повышает стрессоустойчивость, модулируя метаболические пути, которые помогают растениям адаптироваться к неблагоприятным условиям. Менахиноны не вырабатываются самими растениями; вместо этого они синтезируются определенными бактериями, которые могут быть найдены в почве или связаны с корнями растений. Присутствие полезных бактерий может повысить доступность этого метаболита для растений, тем самым способствуя их росту и здоровью.
Мупироцин, известный прежде всего своими антибактериальными свойствами, снижал свою активность в условиях совместного культивирования. Снижая активность мупироцина, растения могут способствовать более синергетическим отношениям с другими полезными микробами, способствуя общему здоровью растений и повышению устойчивости к патогенам.
Аналогичные метаболиты также часто связывают с антимикробными свойствами. Это соединение может указывать на усиление метаболических путей, усиливающих противогрибную активность или способствующих защитным реакциям растений в условиях присутствия патогенов. Его роль подчеркивает сложность метаболических взаимодействий, происходящих в этих условиях.
Помимо противогрибной активности, некоторые метаболиты также способствуют росту растений. Сидерофоры хелатируют железо из окружающей среды, увеличивая его биодоступность для растений. Это повышенное усвоение железа способствует росту растений и повышает устойчивость к стрессовым факторам окружающей среды, обеспечивая достаточное поступление питательных веществ. Повышение уровня метаболитов, таких как менахинон, свидетельствует об усилении вторичных путей метаболизма, которые могут привести к увеличению выработки веществ, стимулирующих рост, или антимикробных соединений, полезных для растений.
В заключение, дифференциальная экспрессия метаболитов во время совместного культивирования подчеркивает их двойную роль в противогрибной активности и стимуляции роста растений, демонстрируя адаптивную биосинтетическую универсальность.
Повышение уровня таких соединений, как менахинон и карбапенем, предполагает усиление вторичного метаболизма, способствующего ингибированию патогенов и микробному взаимодействию, одновременно поддерживая здоровье растений посредством стимулирующей рост активности. Более глубокое понимание их биосинтеза может облегчить разработку биоинженерных подходов к повышению эффективности производства или созданию новых производных, способных противостоять различным фитопатогенам.
Эти результаты подчеркивают потенциал B57 как биоинокулянта для устойчивого сельского хозяйства, предлагающего инновационные решения для борьбы с болезнями и повышения продуктивности сельскохозяйственных культур. Выявленные метаболиты служить биомаркерами метаболических сдвигов и потенциальными путями для открытия новых антибиотиков.
Источник: npj Biofilms and Microbiomes (2025). DOI: 10.1038/s41522-025-00796-6
На фото - интеллектуальная цифровая визуализация противогрибковой активности метаболитов Nocardiopsis alba против четырёх патогенных грибов в режиме реального времени. Источник: npj Biofilms and Microbiomes (2025). DOI: 10.1038/s41522-025-00796-6