Бактерия Ralstonia solanacearum (самый опасный вид, разрушающий сосудистую систему) может годами скрываться во влажной почве, прежде чем заразить растение, быстро распространяясь по сосудам, переносящим воду (ксилеме). Зараженные растения вянут и погибают в течение нескольких дней. В чем сила опасной бактерии, выяснили в междисциплинарном сотрудничестве фитопатологи и инженеры из Калифорнийского университета в Дэвисе. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Моя аналогия такова: они вызывают сердечный приступ у растений, потому что закупоривают сосуды и приводят к увяданию и гибели растений», — сказала Тиффани Лоу-Пауэр, доцент кафедры фитопатологии в Колледже сельскохозяйственных и экологических наук Калифорнийского университета в Дейвисе.
Как и многие бактерии, колонии Ralstonia могут выделять вокруг себя пленку или покрытие. Обычно эти пленки помогают удерживать или сохранять влагу. В случае с Ralstonia эта выделяемая пленка необычайно рыхлая, и с ней довольно сложно работать, отмечает Лоу-Пауэр: «Ралстонии обладают харизматичной отвратительностью, но и научной притягательностью тоже».
Выделяемая Ralstonia пленка состоит из длинной, похожей на сахар молекулы, называемой экзополисахаридом 1 (ЭПС-1). Известно, что ЭПС-1 каким-то образом связан со способностью Ralstonia убивать растения. Но как именно?
«Благодаря методам, которые используют микробиологи и генетики для поиска ответов на вопросы, мы приблизились к пониманию механизма, но до конца не дошли. Нам нужен был физик», — рассказывает Лоу-Пауэр.
Хари Маникантан, доцент кафедры химической инженерии Калифорнийского университета в Дейвисе, изучает механику и динамику сложных многофазных жидкостей. «Я люблю всякую субстанцию во всех её формах — слюну, пену, легочные сурфактанты, слезы», — сказал Маникантан.
Жидкие вязкие вещества обладают различной степенью вязкости и упругости. Упругость измеряет способность материала возвращаться в исходное состояние после растяжения. Вязкость измеряет, насколько легко он течет. Вопрос в том, какой временной масштаб является релевантным.
Маникантан и Лоу-Пауэр обнаружили свою взаимную любовь к слизи, когда познакомились во время обучения новых преподавателей перед пандемией. Используя оборудование в лаборатории Маникантана, они смогли провести высокоточные измерения вязкоупругих свойств выделений, собранных с колоний Ralstonia Мэтью Коупом-Аргуэльо, аспирантом лаборатории Лоу-Пауэр.
Ученые обнаружили, что слизистая масса патогенной бактерии Ralstonia легко течет под действием сдвиговых сил, характерных для ксилемных сосудов растений. Это позволяет бактериям быстро распространяться по зараженному растению.
Насколько распространен этот признак? Коуп-Аргуэльо разработал простой тест. Если на чашке Петри вырастить бактерии, образующие биопленку, и держать чашку под углом, будет ли с нее капать? Ученые также изучили другие штаммы Ralstonia, в том числе те, которые не вырабатывают ЭПС-1, а также попросили коллег по всей стране протестировать другие бактерии, являющиеся эволюционными родственниками ралстоний.
«Нам действительно удалось показать, как на основе данных, собранных нашими коллегами, так и на основе данных, полученных нами из общедоступных геномов, что этот полисахарид уникален для патогенов растений. Экзополисахарид ЭПС-1 преобразует биопленки возбудителя увядания Ralstonia в вязкоупругие жидкости для быстрого распространения в растениях», — сказал Коуп-Аргуэльо.
Для биологов это исследование показывает, почему ЭПС-1 (EPS-I) делает эти бактерии особенно патогенными. Для инженеров и физиков, изучающих мягкие материалы, оно предоставляет экспериментальную систему для исследований.
«Теперь у нас есть реальное, значимое изменение, обусловленное генетикой, которое мое сообщество может начать моделировать математически. Поэтому я очень рад тому, как это повлияет на мир физики мягкой материи», — сказал Маникантан.
Источник: UC Davis.
На фото. Бактерии Ralstonia вызывают быстрое увядание и гибель растений. Эти бактерии также выделяют необычайно жидкую, «липкую» жидкость. Совместная работа ученых-ботаников и инженеров из Калифорнийского университета в Дэвисе показала, что эта жидкость является вязкоупругой и что её свойства способствуют быстрому распространению бактерий в растении-хозяине. Автор фото: Джаэль Макендорф, Калифорнийский университет в Дэвисе.
