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Descubriendo cómo las bacterias "asesinas de cultivos" infectan las plantas

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Descubriendo cómo las bacterias "asesinas de cultivos" infectan las plantas

de izquierda a derecha Profesor asistente Yu Jing de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la NTU y Profesor Asociado Miao Yansong de la Facultad de Ciencias Biológicas. Crédito: Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur
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Un equipo interdisciplinario de científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur NTU Singapur ha identificado, por primera vez, un mecanismo clave por el cual una peligrosa enfermedad de las plantas puede infectar los cultivos.

La bacteria Xanthomonas, conocida como la "asesina de cultivos", es una bacteria prevalente en todo el mundo capaz de infectar 400 especies de plantas diferentes.

Los investigadores de NTU identificaron el mecanismo exacto a nivel celular por el cual las bacterias pueden penetrar y secuestrar el sistema inmunológico de una planta, dejándolas vulnerables a infecciones.

El avance arroja luz sobre este misterio de larga data y proporciona nuevos conocimientos sobre cómo detener las infecciones bacterianas que pueden devastar cultivos importantes como el arroz, el trigo, la soja y el tomate.

El estudio, dirigido por el profesor asociado Miao Yansong de la Facultad de Ciencias Biológicas, junto con el profesor asistente Yu Jing de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la NTU, tiene importantes implicaciones para la seguridad alimentaria y la sostenibilidad.

"Xanthomonas es un patógeno vegetal que infecta una variedad de plantas, incluidos los cultivos alimentarios, por lo que comprender este mecanismo es importante para controlar las enfermedades de los cultivos", dijo el profesor asociado Miao. "Esto es relevante para los objetivos de Singapur y del mundo de cultivar más alimentos. ”

Los hallazgos del equipo se publicaron en la revista Nature Communications en julio.

Basado en su estudio publicado, el equipo interdisciplinario también ha realizado ingeniería inversa con éxito del mecanismo de infección y ha obtenido una patente provisional para un 'juego de herramientas' que puede ayudar en el desarrollo de nuevos métodos para hacer que las plantas sean más resistentes contra las bacterias.

Los hallazgos del equipo, que tienen el potencial de ayudar a impulsar la seguridad alimentaria, son parte de los esfuerzos continuos de NTU para abordar los grandes desafíos de la humanidad en materia de sostenibilidad bajo su plan estratégico 2025, que busca fortalecer los descubrimientos disciplinarios profundos y la investigación interdisciplinaria de alto impacto para elbeneficio de la humanidad.

El estudio resuelve el antiguo misterio de la infección bacteriana en las plantas


La bacteria Xanthomonas infecta y daña las plantas al inyectar 'proteínas efectoras' tóxicas, llamadas efectores de Tipo III, en el hospedador de la planta. Estas proteínas efectoras tóxicas secuestran y se apoderan de los procesos biológicos normales de la planta, evitando que desarrollen una respuesta inmunitaria.

Las plantas normalmente resisten la infección a nivel celular usando una capa protectora de membrana plasmática para proteger sus citoesqueletos de actina, que sirven como la estructura de una célula. El citoesqueleto de actina es responsable de cómo una célula monta una defensa contra los patógenos.infección, el patógeno atraviesa la membrana y 'sobrescribe' el citoesqueleto con nuevas instrucciones que le dicen que no lo combata.

La forma en que la bacteria secuestra la membrana plasmática del hospedador de la planta y el citoesqueleto de actina para infectar al hospedador ha sido un misterio desde que se inició la investigación sobre la bacteria Xanthomonas a fines del siglo XX.

Comprensión del mecanismo de infección


El equipo estudió un tipo específico de proteína efectora llamada XopR, que se comporta como un "pegamento" molecular. Descubrieron que XopR secuestra el citoesqueleto del huésped al someterse a lo que se llama un proceso de separación de fases líquido-líquido en la superficie del plasma de la planta.membrana.

Este proceso de separación de fases es similar a la forma en que el aceite y el agua pueden fusionarse entre sí, pero también pueden separarse fácilmente en dos líquidos distintos. Tanto la proteína XopR como la célula de la planta huésped interactúan entre sí como gotas de líquido, lo que permitelas proteínas efectoras tóxicas para "adherirse" a la célula vegetal y fusionarse con ella.

Una vez que esto ha sucedido, las proteínas XopR interconectadas pueden infiltrarse e invadir la red del citoesqueleto de actina de la célula vegetal, dándole acceso al comportamiento celular. Cuando esto sucede, la proteína XopR puede sobrescribir las instrucciones celulares existentes para montar una respuesta inmune,dejando así a la planta vulnerable a la infección.

El profesor adjunto Yu Jing dijo: “Nuestro estudio no fue solo un estudio biológico de la proteína bacteriana, sino también sobre la bioquímica detrás del mecanismo de infección. Al estudiar las propiedades físico-químicas de las gotas de líquido XopR, pudimos comprender mejor susecuencia de proteína única. Este enfoque interdisciplinario nos permitió revelar los mecanismos moleculares subyacentes por los cuales XopR subvierte la inmunidad de su planta huésped ".

Este mecanismo recientemente descubierto de cómo las proteínas efectoras secuestran las células vegetales a través de la separación de fases se puede aplicar ampliamente a otras interacciones planta-patógeno, ya que muchos otros patógenos microbianos también inyectan efectores en la planta huésped y proporciona nuevas vías para futuras investigaciones.

El estudio ofrece esperanzas para fortalecer la seguridad alimentaria y agrícola


Xanthomonas causa manchas bacterianas y tizones en las hojas y frutos de las plantas que infecta. En algunos casos, una vez que la enfermedad echa raíces, el único recurso del agricultor es cortar y quemar toda la cosecha de plantas para detener la propagación de la enfermedad..

Comprender exactamente cómo las plantas y los cultivos son infectados por bacterias es un paso crucial en el desarrollo de métodos para prevenir su infección y producir cultivos que puedan resistir la enfermedad.

“Nuestra investigación avanza enormemente nuestro conocimiento de los mecanismos previamente desconocidos por los cuales los efectores bacterianos causan daño en la célula huésped de la planta. Al comprender el mecanismo exacto de la infección, nuestro estudio sienta las bases para futuras investigaciones sobre cómo prevenir tales infecciones a través demedios invasivos, como cambiar las condiciones de crecimiento de las plantas o usar nuevos nutrientes. Esto nos permite tratar mejor las plantas infectadas y explorar formas de cultivar cultivos resistentes con mayor inmunidad a la enfermedad sin utilizar la ingeniería genética ”, dijo el profesor adjunto Miao.

El equipo ha obtenido una patente provisional para un conjunto de herramientas que han desarrollado que permite a los científicos replicar el proceso mediante el cual XopR interactúa con las células vegetales. Esto permitirá a los investigadores probar posibles soluciones para fortalecer la inmunidad de los cultivos en entornos de laboratorio.aplicaciones potenciales para la biología sintética futura y la tecnología agroalimentaria.

Referencia : Sun H, Zhu X, Li C, et al. El efector de Xanthomonas XopR secuestra el citoesqueleto de actina del huésped mediante coacervación compleja. Nat Commun . 2021; 12 1: 4064. Doi: 10.1038 / s41467-021-24375-3

Este artículo se ha vuelto a publicar a partir de lo siguiente materiales . Nota: el material puede haber sido editado por su extensión y contenido. Para obtener más información, comuníquese con la fuente citada.


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