Une espèce de bactérie qui infecte les cultures de maïs oblige ses hôtes à produire un festin de nutriments qui maintient les agents pathogènes en vie et en plein essor bien avant qu'ils ne commencent à tuer les cellules de la plante, selon une nouvelle recherche d'Irene Gentzel et de ses collègues. L'étude sur les jeunes plants de maïs révèle que ces bactéries génèrent non seulement de la nourriture pour elles-mêmes dans les cultures qu'elles habitent, mais qu'elles attirent également l'eau vitale des plantes.

Bien que les conditions de laboratoire ne représentent pas exactement ce qui se passe sur le terrain, la recherche fournit des informations sur les processus fondamentaux essentiels à la capacité d'un agent pathogène à provoquer une maladie du maïs répandue dans le centre et le nord-est des États-Unis appelée flétrissure de Stewart. Ces bactéries créent également des problèmes pour les cultures de riz et de jacquier dans certaines parties de l'hémisphère oriental.

En confirmant qu'un facteur de virulence bactérienne, une protéine appelée WtsE, initie la mobilisation de la nourriture et de l'eau dans les espaces où résident les bactéries, l'étude jette les bases d'une future sélection de plantes qui peuvent freiner ces tactiques de survie bactérienne. Les pratiques de sélection actuelles du maïs sont basées sur des recherches antérieures axées sur la stimulation de la réponse immunitaire des plantes à ces bactéries infectieuses, une espèce connue sous le nom de Pantoea stewartii.

Dans leur article, Gentzel et ses collègues écrivent : « En plus de la disponibilité de l'eau, l'acquisition de nutriments est essentielle à la croissance des agents pathogènes des plantes. Au cours de la biotrophie, certains agents pathogènes fongiques et oomycètes obtiennent des nutriments par la formation d'haustoriums, des structures d'alimentation qui assurent un contact intime via des invaginations dans des cellules végétales vivantes. Les agents pathogènes nécrotrophes, quant à eux, obtiennent des nutriments à partir de cellules végétales mourantes et mortes. Pour les bactéries hémibiotrophes, il n'est pas clair si les nutriments disponibles dans l'apoplaste d'une plante non infectée sont suffisants pour soutenir le niveau élevé de prolifération observé pendant la phase biotrophe de l'infection, qui se produit avant la nécrose.

Les scientifiques ont entrepris d'examiner si les bactéries tentaient non seulement d'utiliser des outils biochimiques pour supprimer les défenses des plantes, mais aussi pour favoriser l'apport de nutriments aux agents pathogènes.

Auteur principal de l'étude et professeur d'horticulture et de science des cultures à l'Ohio State University, David Macky dit dans un communiqué de presse, "Personne n'a montré auparavant qu'un flux dynamique de nutriments d'une plante à une bactérie favorise la prolifération des bactéries au cours des premiers stades de l'infection. Nos découvertes révèlent une frénésie alimentaire bactérienne.

"Il n'y a pas eu d'efforts ciblés pour contrôler la disponibilité des nutriments comme moyen de contrôler Pantoea stewartii, ou d'autres bactéries phytopathogènes qui dépendent de protéines similaires à WtsE pour leur virulence. Cela nous ouvre la possibilité d'examiner le mécanisme par lequel WtsE y parvient. Comment manipule-t-il les cellules végétales ?

La recherche, publiée dans Hôte de cellule et microbe, se concentre sur une phase appelée biotrophie : Après avoir infecté une plante, les bactéries parasitent initialement les cellules hôtes vivantes et se multiplient de façon spectaculaire. Ce n'est que plus tard que les bactéries commencent à tuer les cellules végétales pour libérer davantage de nutriments et provoquer des maladies.

Au champ, les altises du maïs transportent Pantoea stewartii et déposent les bactéries dans les plaies créées par les coléoptères lorsqu'ils se nourrissent des tiges et des feuilles des cultures. Les infections se sont ensuite propagées de manière inégale à partir de ces sites.

Pour cette étude, Mackey et ses collègues ont infiltré des plants de maïs avec une dose puissante de bactéries infectieuses, créant une série de feuilles uniformément infectées. Ce système modèle a permis aux chercheurs de déterminer que la libération de nutriments et d'eau a précédé la mort des cellules végétales.

L'équipe s'est concentrée sur l'observation des actions de WtsE, l'une d'une classe de protéines dans les bactéries pathogènes connues sous le nom d'effecteurs de type III. Ces protéines sont transportées de la bactérie vers les cellules végétales infectées pour à la fois supprimer l'immunité de la plante et, comme on l'a découvert dans le cas de Pantoea stewartii, favoriser la disponibilité de l'eau et de la nourriture.

Toute cette activité se déroule dans l'apoplaste, un compartiment relativement sec à l'intérieur d'un tissu végétal mais à l'extérieur des cellules végétales. Cette sécheresse est pertinente, car l'une des astuces de WtsE est de favoriser la disponibilité de l'eau dans cet espace. Une hypothèse principale a été que cette condition, appelée «trempage dans l'eau», résulte de la mort de cellules végétales déversant leur contenu dans l'apoplaste lorsque les bactéries commencent leur attaque mortelle.

"C'est l'un des principaux points que nous avons montrés : l'infection provoque l'accumulation d'eau dans l'apoplaste bien avant de tuer les cellules végétales. C'est un processus actif et il dépend de l'effecteur WtsE », a déclaré Mackey.

Et puis, une fois hydraté, l'apoplaste commence à se remplir de nutriments qui fonctionnent comme des sources d'azote et de carbone pour les bactéries - sucres, acides aminés et acides organiques qui sont générés et consommés en quantités beaucoup plus élevées que celles qui existent dans l'apoplaste d'une plante saine. .

Les chercheurs ont confirmé la taille massive du festin en retirant les bactéries des plantes et en mesurant la quantité de carbone et d'azote qu'elles avaient absorbées dans une période de temps spécifique - qui était respectivement 6 et 30 fois supérieure à celle présente dans l'apoplaste. d'une plante non infectée.

"Ce n'est pas comme si les bactéries étaient arrivées et avaient mangé ce qui était déjà disponible", a déclaré Mackey. "Les plantes abandonnent des sources de carbone et d'azote dans l'apoplaste, où elles sont assimilées par les bactéries. De plus, les réseaux métaboliques des plantes réagissent à l'épuisement en fabriquant davantage de ces composés. C'est un processus vraiment dynamique et l'effecteur WtsE pilote ce processus.

Le rôle de l'effecteur a été confirmé génétiquement - les bactéries mutantes dépourvues de WtsE étaient incapables d'accomplir ces mêmes tâches. Avec ces découvertes, le laboratoire de Mackey est maintenant en mesure de déterminer comment WtsE est capable de contraindre le maïs à faire ce qu'il veut - et plus précisément, quelles protéines végétales l'effecteur détourne pour obtenir de l'aide - ce qui pourrait éclairer les futures pratiques de sélection résistantes.

RECHERCHE ORIGINALE

Gentzel, I., Giese, L., Ekanayake, G., Mikhail, K., Zhao, W., Cocuron, J.-C., Alonso, AP et Mackey, D. (2022) « Acquisition dynamique de nutriments à partir d'un l'apoplaste hydraté favorise la prolifération biotrophique d'un pathogène bactérien du maïs », Hôte de cellule et microbe, https://doi.org/10.1016/j.chom.2022.03.017