Το Γλοιοσπόριο βρήκε το βάκιλό του (Bacillus sp)

Η ανακάλυψη και η ανάπτυξη νέων, καινοτόμων φυτοπροστατευτικών παραγόντων με βελτιωμένη αποτελεσματικότητα και τοξικολογικό προφίλ αποτελούν το “Άγιο Δισκοπότηρο” του αγροχημικού τομέα

Το Γλοιοσπόριο βρήκε το βάκιλό του (Bacillus sp) (photo/foodcare.gr)

Μετάφραση, επιμέλεια, παρουσίαση, φωτογραφία άρθρου

από τον ΥΔ Σώτηρα Μάριο-Ιωάννη MSc Γ.Π.Α

Η μετάβαση στην εποχή της Πράσινης Συμφωνίας απαιτεί σημαντική μείωση της χρήσης συμβατικών φυτοπροστατευτικών προϊόντων και βελτιστοποίηση των τεχνικών παραγωγής, γεγονός που θέτει ένα επιπλέον εμπόδιο στον αγροδιατροφικό τομέα και συγκεκριμένα στην προσπάθειά διατήρησης και διασφάλισης της παραγωγής και της ποιότητας των τροφίμων. Συνεπώς, η ανάγκη για την εύρεση και ανάπτυξη εναλλακτικών φυτοπροστατευτικών παραγόντων θα συνδράμει στην προσπάθεια συμμόρφωσης και επίτευξης των στόχων της Πράσινης Συμφωνίας χωρίς τη διακύδευση της υγείας ή/και της απόδοσης των φυτών.

Μεταξύ των πιθανών εναλλακτικών πηγών βιοδραστικότητας, οι ενδοφυτικοί μικροοργανισμοί έχουν πρόσφατα αναδειχθεί ως πλούσιες πηγές μεταβολιτών με ποικίλες φυσικοχημικές ιδιότητες και βιοδραστικότητες. Οι ενδοφυτικοί μικροοργανισμοί εγκαθίστανται ενδοκυτταρικά ή/και διακυτταρικά στο εσωτερικό των φυτικών ιστών και περνούν ολόκληρο ή μέρος του βιολογικού κύκλου ζωής Σύμφωνα με την αξιοσημείωτη βιοδραστικότητά τους και τις δυνατότητες εφαρμογής τους στη φυτοπροστασία, από τις ρίζες ελαιόδεντρων (Olea europaea L.), απομονώθηκε το ενδοφυτικό στέλεχος Bacillus sp. PTA13, το οποίο παρουσιάζει ανώτερη ικανότητα παραγωγής λιποπεπτιδίων (LP) και αντιμικροβιακές ιδιότητες. 

Εικόνα 1. Χημικές δομές αντιπροσωπευτικών λιποπεπτιδίων (LPs) που παράγονται από το ενδοφυτικό Bacillus sp. PTA13 της ελιάς (photo/olivenews.gr)

Μεταξύ των γνωστών LPs, αυτές που παράγονται από είδη Bacillus είναι οι πιο εκτενώς μελετημένες, με την πλειονότητα των ερευνών να επικεντρώνεται στις κυκλικές LPs (CLPs) λόγω της βιοδραστικότητάς τους και των πιθανών εφαρμογών τους. Η δομή των CLPs αποτελείται από έναν πεπτιδικό δακτύλιο συνδεδεμένο με μια αλυσίδα λιπαρού οξέος (FA) και οι περισσότερες από τις CLPs που παράγονται από τον Bacillus ομαδοποιούνται σε τρεις μεγάλες οικογένειες με βάση τον πεπτιδικό τους κορμό: τις επιφανειοδραστίνες, τις ιτουρίνες και τις φενγκισίνες.

Τα LP είναι μεταβολίτες με ποικίλες βιοδραστικότητες, οι οποίες μπορούν να αξιοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές και παρουσιάζουν επιφανειοδραστικές, αντιμικροβιακές, αντιιικές, αντικαρκινικές και φυτοπροστατευτικές ιδιότητες. Οι επιφανειοδραστικές ουσίες είναι γνωστές για τις επιφανειοδραστικές τους ιδιότητες. Εκτός από την αμφίφιλη φύση τους, η οποία αποδίδεται στον υδρόφιλο πεπτιδικό δακτύλιο και στο υδρόφοβο τμήμα FA, η τρισδιάστατη διαμόρφωση της δομής τους παρουσιάζει φορτισμένες πολικές ομάδες και μη πολικές υδρόφοβες μονάδες μέσα στο ίδιο το πεπτιδικό τμήμα τους. Η δομή αυτή τα καθιστά ισχυρά βιοεπιφανειοδραστικά. Ένα άλλο χαρακτηριστικό των LPs είναι οι ανώτερες αντιμικροβιακές τους ιδιότητες, οι οποίες αποδίδονται κυρίως στην αμφίφιλη φύση τους που τους επιτρέπει να αλληλοεπιδρούν με βιολογικές μεμβράνες. Ο τρόπος επίδρασης στα φυτοπαθογόνα πραγματοποιείται είτε άμεσα αναστέλλοντας τα μέσω διαφόρων μηχανισμών δράσης (MoA) είτε έμμεσα προκαλώντας την επαγόμενη συστηματική αντίσταση (ISR) των φυτών. Μεταξύ των κύριων ομάδων των LPs, οι επιφανειοδραστικές ουσίες παρουσιάζουν ισχυρή αντιβιοτική δράση και μειωμένη αντιμυκητιακή δράση, ενώ οι ιτουρίνες και οι φενγκισίνες έχουν ισχυρή μυκητοκτόνο και περιορισμένη αντιβιοτική δράση.

Μεταξύ των LP που παράγονται από βακίλους, οι επιφανειοδραστικές ουσίες είναι οι ουσίες που έχουν ήδη μελετηθεί σχετικά με τον τρόπο δράσης τους. Η βιοδραστικότητά τους οφείλεται σε έναν πολύπλοκο συνδυασμό περισσότερων του ενός μηχανισμού που περιλαμβάνει την εισαγωγή των μορίων της ταρφακτίνης στη διπλοστοιβάδα των φωσφολιπιδίων της μεμβράνης. Οι τροποποιήσεις της διαπερατότητας των μεμβρανών επιτυγχάνονται μέσω του σχηματισμού πόρων ή διαύλων ιόντων, η λειτουργία τους ως μεταφορέων μονοσθενούς και δισθενούς κατιόντος μέσω των μεμβρανών, καθώς και η πλήρης διαλυτοποίηση των μεμβρανών μέσω της επιφανειοδραστικής τους δράσης. Η αμφίφιλη φύση των LPs είναι υπεύθυνη για την επίδρασή τους στις κυτταρικές μεμβράνες και τη διατάραξη της σταθερότητας και της ακεραιότητάς τους, με τις μη πολικές ομάδες τους να διεισδύουν στον υδρόφοβο πυρήνα των φωσφολιπιδίων και τις υδρόφιλες ομάδες να προεξέχουν στο υδατικό περιβάλλον των μεμβρανών. Η εισαγωγή ενός ή περισσότερων LPs σε μια μεμβράνη δεν προκαλεί την πλήρη αποδιοργάνωση των φωσφολιπιδίων. Η χαμηλή συγκέντρωση LP οδηγεί σε περιορισμένη διάσπαση της μεμβράνης, διαπερνώντας μόνο το εξωτερικό της στρώμα. Σε μεσαίες συγκεντρώσεις, τα LP τείνουν να συσσωματώνονται, σχηματίζοντας μυκήλια και αυξάνοντας τη διαπερατότητα της μεμβράνης μέσω του σχηματισμού προσωρινών πόρων και διαύλων ιόντων, οι οποίοι, ωστόσο, σύντομα επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση. Ο μη αναστρέψιμος σχηματισμός πόρων στη διπλοστοιβάδα της μεμβράνης συμβαίνει σε υψηλότερες συγκεντρώσεις, όπου σχηματίζονται μεγάλες μικκυτταρικές δομές, με αποτέλεσμα την πλήρη αποδιοργάνωση και διάλυση της λιπιδικής διπλοστοιβάδας και, τελικά, την κυτταρική λύση.

Η ανακάλυψη και η ανάπτυξη νέων, καινοτόμων φυτοπροστατευτικών παραγόντων με βελτιωμένη αποτελεσματικότητα και τοξικολογικό προφίλ αποτελούν το ”Άγιο Δισκοπότηρο” του αγροχημικού τομέα στην προσπάθειά αντιμετώπισης των σύγχρονων προκλήσεων καθώς και στον ευθυγραμμισμό με τους άξονες της Πράσινης Συμφωνίας. Τα ενδόφυτα δύναται να αποτελέσουν μια ανεκτίμητη πηγή βιοδραστικότητας για νέες εφαρμογές στη φυτοπροστασία είτε ένα χρησιμοποιηθούν καθαυτά είτε για το τεράστιο οπλοστάσιο μεταβολιτών που παράγουν. Τα ενδόφυτα μπορούν να βοηθήσουν σημαντικά στη μείωση ή/και πλήρη αντικατάσταση των συμβατικών φυτοφαρμάκων. Πραγματοποιήθηκε μελέτη από τους Papadopoulou et.al. (2023) σχετικά με την τοξικότητα εκχυλίσματος LP του Bacillus sp. PTA13 στο γλοιοσπόριο του είδους Colletotrichum acutatum του ελαιόδεντρου.

Εικόνα 2. Επίδραση του ενδοφυτικού εκχυλίσματος λιποπεπτιδίων (LP) του Bacillus sp. της ελιάς στο προφίλ των μεταβολιτών του Colletotrichum acutatum. (a) Αντιπροσωπευτικές καλλιέργειες του C. acutatum 17 ημέρες μετά τον εμβολιασμό, μη επεξεργασμένες και επεξεργασμένες με το εκχύλισμα LP, (b) αντιπροσωπευτικό χρωματογράφημα ολικών ιόντων GC/EI/MS και (c) αντιπροσωπευτικό φάσμα ¹H NMR του ενδομεταβολώματος του μύκητα. Εμφανίζεται μεγέθυνση των κόκκινων διακεκομμένων περιοχών και σχόλια για αντιπροσωπευτικούς μεταβολίτες (1. Γαλακτικό οξύ- 2. L-αλανίνη- 3. L-προλίνη- 4. L-βαλίνη- 5. L-σερίνη- 6. L-λευκίνη- 7. Γλυκίνη- 8. Succinate- 9. Fumarate- 10. L-θρεονίνη- 11. β-αλανίνη- 12. γλουταμίνη- 13. D-γλυκόζη- 14. Palmitate- 15. Λινολεϊκό- 16. Stearate- 17. 1-μονοπαλμιτίνη- 18. α,α-τρεαλόζη- 19. Σακχαρόζη- 20. Δ-γλυκόζη- 21. α,α-τρεαλόζη- 22. β-γλυκόζη- 23. L-αλανίνη- 24. L-θρεονίνη- 25. L-Βαλίνη- 26. L-λευκίνη/L-ισολευκίνη) (photo/olivenews.gr)

Εικόνα 3. Απεικόνιση της επίδρασης του ενδοφυτικού εκχυλίσματος λιποπεπτιδίου (LP) του Bacillus sp. του ελαιόδεντρου στα καταγεγραμμένα προφίλ μεταβολιτών του C.acutatum με τη διενέργεια ανάλυσης διάκρισης μερικών ελαχίστων τετραγώνων (PLS-DA) (αριστερά) και ιεραρχικής ομαδοποίησης με τη μέθοδο Ward (δεξιά). Εμφανίζονται τα αποτελέσματα των αναλύσεων των πινάκων (a) GC/EI/MS, (b) 1H NMR και (c) του συνδυασμένου πίνακα GC/EI/MS-¹H NMR. Στα διαγράμματα αποτελεσμάτων, η έλλειψη αντιπροσωπεύει το T²του Hotelling, τα R²X και R²Y, το κλάσμα του αθροίσματος των τετραγώνων των Χ και Υ που εξηγείται από τις συνιστώσες, και το Q2(cum), το αθροιστικό κλάσμα της συνολικής μεταβολής των Χ που μπορεί να προβλεφθεί (PC- κύρια συνιστώσα) (photo/olivenews.gr)

Εικόνα 3. De novo κατασκευασμένο δίκτυο μεταβολιτών του Colletotrichum acutatum. Τα βέλη υποδεικνύουν την επίδραση του εφαρμοζόμενου εκχυλίσματος LP του ενδοφυτικού Bacillus sp. PTA13 του ελαιόδεντρου στα επίπεδα των μεταβολιτών του- τα προς τα πάνω κόκκινα βέλη υποδεικνύουν αυξημένα επίπεδα μετά την επεξεργασία με LP, ενώ τα προς τα κάτω πράσινα βέλη υποδεικνύουν μειωμένα επίπεδα μεταβολιτών. Οι διακυμάνσεις είναι χρωματικά κωδικοποιημένες με βάση τους μέσους όρους των κλιμακωτών και κεντραρισμένων συντελεστών παλινδρόμησης PLS (CoeffCS). Οι συμπαγείς γραμμές αντιστοιχούν σε διαδοχικούς μεταβολίτες ενός βήματος, ενώ οι διακεκομμένες γραμμές υποδεικνύουν τμήματα πολλαπλών βημάτων ή μη πλήρως διευκρινισμένα τμήματα μονοπατιών. Για την κατασκευή του δικτύου, τα δεδομένα ανακτήθηκαν από την εγκυκλοπαίδεια γονιδίων και γονιδιωμάτων του Κιότο (KEGG). (photo/olivenews.gr)

Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των Papadopoulou et.al. (2023), το εκχύλισμα LP του ενδοφυτικού απομονωμένου Bacillus sp. PTA13 της ελιάς εντοπίστηκε τοξικό για το γλιοσπόριο, συγκεκριμένα στο παθογόνου C. acutatum, επηρεάζοντας ουσιαστικά το μεταβολισμό, την ενεργειακή ισορροπία και την παθογένειά του. Παρόλο που η ακριβής MoA της μυκητοτοξικότητας των LP δεν έχει διευκρινιστεί πλήρως, η μελέτη παρείχε νέες γνώσεις και, εξ όσων γνωρίζουμε, δεν υπάρχουν προηγούμενες μελέτες σχετικά με την επίδραση ενδοφυτικών LP σε ένα φυτοπαθογόνο με εφαρμογή της μεταβολωμικής.

Πηγές

1. Papadopoulou Ε-Α., Angelis Α., Skaltsounis Α., Aliferis Κ. Α., (2023). GC/EI/MS and 1H NMR Metabolomics Reveal the Effect of an Olive Tree Endophytic Bacillus sp. Lipopeptide Extract on the Metabolism of Colletotrichum acutatum. Metabolites, 2023 Mar 23;13(4):462. doi: 10.3390/metabo13040462
2. Topping, C.J.; Aldrich, A.; Berny, P. Overhaul environmental risk assessment for pesticides. Science 2020, 367, 360–363.
3. Oukala, N.; Aissat, K.; Pastor, V. Bacterial endophytes: The hidden actor in plant immune responses against biotic stress. Plants 2021, 10, 1012.
4. Rai, N.; Kumari Keshri, P.; Verma, A.; Kamble, S.C.; Mishra, P.; Barik, S.; Kumar Singh, S.; Gautam, V. Plant associated fungal endophytes as a source of natural bioactive compounds. Mycology 2021, 12, 139–159.
5. Das, N.; Chandran, P. Microbial degradation of petroleum hydrocarbon contaminants: An overview. Biotechnol. Res. Int. 2011, 2011, 941810.
6. De Silva, N.I.; Brooks, S.; Lumyong, S.; Hyde, K.D. Use of endophytes as biocontrol agents. Fungal Biol. Rev.2019, 33, 133–148.
7. Papadopoulou, E.-A.; Angelis, A.; Antoniadi, L.; Aliferis, K.A.; Skaltsounis, A.-L. Discovering the Next-Generation Plant Protection Products: A Proof-of-Concept via the Isolation and Bioactivity Assessment of the Olive Tree Endophyte Bacillus sp. PTA13 Lipopeptides. Metabolites 2021, 11, 833.
8. Kolainis, S.; Koletti, A.; Lykogianni, M.; Karamanou, D.; Gkizi, D.; Tjamos, S.E.; Paraskeuopoulos, A.; Aliferis, K.A. An integrated approach to improve plant protection against olive anthracnose caused by the Colletotrichum acutatum species complex. PLoS ONE 2020, 15, e0233916.
9. Papadopoulou, E.-A.; Giaki, K.; Angelis, A.; Skaltsounis, A.-L.; Aliferis, K.A. A Metabolomic Approach to Assess the Toxicity of the Olive Tree Endophyte Bacillus sp. PTA13 Lipopeptides to the Aquatic Macrophyte Lemna minor L. Toxics 2022, 10, 494.
10. ChemDraw. Available online: https://perkinelmerinformatics.com/products/research/chemdraw (accessed on 13 March 2023).
11. Kaspar, F.; Neubauer, P.; Gimpel, M. Bioactive secondary metabolites from Bacillus subtilis: A comprehensive review. J. Nat. Prod. 2019, 82, 2038–2053
12. Zhang, D.; Qiang, R.; Zhou, Z.; Pan, Y.; Yu, S.; Yuan, W.; Cheng, J.; Wang, J.; Zhao, D.; Zhu, J. Biocontrol and action mechanism of Bacillus subtilis lipopeptides’ fengycins Against Alternaria solani in potato as assessed by a transcriptome analysis. Front. Microbiol. 2022, 13, 861113.

Πηγή – olivenews.gr