Чому хворіє картопля

Глава перша

Чорна ніжка і мокра гнилизна виявляються однією і тією ж хворобою. — Бактерії збираються за спільним столом.

Ми всі любимо картоплю — смажену, варену, запечену у вугіллі чи духовці. Але щоб картопля потрапила до нас на стіл, дуже важливо, щоб нею не встигли підкріпитися мікроорганізми. Тому необхідно заздалегідь діагностувати такі хвороби картоплі, як чорна ніжка і мокра гнилизна. Через них виробники втрачають до 50% урожаю, а іноді й більше.

Ці назви описують два симптоми одного й того самого захворювання, які проявляються в різних умовах. Коли картопля росте в полі, то фітопатогенні бактерії можуть проникнути через коріння в судинну систему пагона і уражене стебло почорніє. У цьому випадку хворобу називають чорною ніжкою.

Фітопатогени можуть бути небезпечними і в сховищі, куди привозять зібраний урожай. Достатньо одного-двох бульб, що підгнили або навіть просто заражені в полі, щоб кілька тонн картоплі перетворилися на смердючу жижу. Тоді хворобу називають уже мокрою гниллю.

Картопля подобається бактеріям через велику кількість крохмалю та пектинових речовин, які служать для них їжею. Щоб зрозуміти, як виглядає пектин, достатньо згадати варення з груш чи яблук. Желеподібну консистенцію надають варенню саме пектинові речовини. Втім, мікроби не роблять смачних заготовок, а воліють перекусити швидко та на місці. За пристрасть до пектину цих бактерій називають пектинолітичними або пектолітичними.

Потрапивши до судинної системи рослини, фітопатогени спочатку повинні переконатися, що вони є в більшості. У цьому допомагає так зване почуття кворуму. Все майже як у людей: трапеза не починається, доки вся родина не збереться за столом. Якщо бактерій досить багато, вони виділяють в судини рослини комплекс спеціальних білків-ферментів, призначених для руйнування рослинної клітинної стінки. Грубо кажучи, мікроскопічні звірятка розкривають упаковки і приступають до обіду.

Глава друга

Противник проникає через кордон. - Петльова ізотермічна ампліфікація швидко виявляє ворога.

Найбільш небезпечні для картоплі види бактерій – бактерії з роду Dickeya. Ці мікроорганізми з'явилися приблизно 2009 року — зважаючи на все, були завезені разом з імпортним насіннєвим матеріалом. Після вторгнення цього невидимого ворога наша картопля стала більше схильна до спалахів чорної ніжки і мокрої гнилі. Якщо у тварин та людини швидке поширення інфекційної хвороби називається епідемією, то у разі рослин говорять про епіфітотію.

Особливо страждають на такі хвороби рослини південних регіонів країни: деякі представники роду Dickeya здатні виживати при температурах до 39 °C. За такої спеки і щодо високої вологості бактерії стають ще агресивнішими. Відомі випадки, коли насіннєва картопля, вирощена в зоні з помірним кліматом і експортована в тепліший регіон, просто не доживала до осені — гнила на корені ще в полі.

Щоб швидко виявляти загрозу, потрібно мати надійний засіб діагностики, який може виявити навіть малу кількість патогенів. Для вирішення цього завдання існує метод петлевої ізотермічної ампліфікації (LAMP, від англ. loop-mediated isothermal amplification).

Цей спосіб вигадали японські вчені в 2000 році. Чимось принцип синтезу ДНК тут нагадує орігамі. Ланцюжки ДНК у ході ампліфікації складаються за допомогою ДНК-полімерази у певному порядку, утворюючи характерні одноланцюгові петлі.

Глава третя

Про користь систематики бактерій. — Виявлення нового виду.

Лікування рослин майже не відрізняється від лікування людей. Спочатку пацієнту-картоплі ставлять діагноз, яка саме бактерія викликала хворобу. Після цього призначають ліки. А як ліки можна використовувати природних ворогів бактерій - вірусів-бактеріофагів. Дуже часто фаги видоспецифічні, тому надзвичайно важливо мати актуальну та точну класифікацію бактерій. Людей, до речі, теж у деяких випадках краще лікувати бактеріофагами, щоб максимально зберегти нормальну мікрофлору. Достатньо здати зразок на бактеріальний посів, і лікар пропише відповідний фаговий препарат.

Деякі дослідники, які щодня секвенують бактерії з різних джерел, стверджують, що нові види трапляються досить часто - достатньо зачерпнути води з річки, океану або взяти шматочок ґрунту. Один з нових геномовидів називається Pectobacterium maceratum, він відображає один із симптомів мокрої гнилі, при якій спостерігається розм'якшення тканин бульби картоплі, або мацерація. Сьогодні рішенням Міжнародного комітету із систематики та таксономії бактерій новий вид остаточно затверджено. Ще існує Pectobacterium versatile, що означає "різноманітний". Штами цього виду були виявлені в різних куточках планети за допомогою експериментальних методів і методів біоінформатики.

Глава четверта, завершуюча...

Новий вид бактерій та плодові мушки можуть «дружити». — Чому це може бути вигідно обом сторонам.

Використовуючи зазначений раніше метод діагностики бактерій роду Dickeya дослідники часто виявляють нові види. Іноді важливо не тільки зрозуміти, чи є в біологічному зразку якийсь вид бактерії, а й визначити, чи є він загрозою для рослин, тварин або людини. Зазвичай такі властивості кодуються в геномі патогенів, як, наприклад, гени стійкості до антибіотиків або гени токсинів. Небезпека цього нового виду полягає в тому, що значна частина його штамів має особливий ген evf.

Вперше про цей ген повідомила на початку XXI століття група французьких вчених. Їм вдалося з'ясувати, що цей ген відповідає за взаємодію бактерій та плодових мушок – дрозофіл. Ці комахи зазвичай харчуються підгнилими фруктами та овочами, у тому числі бульбами картоплі. Бактерії мокрої гнилі виявилися здатними інфікувати, але не вбивати мушок на стадії личинок.

Експерименти показали, що якщо ген evf пересадити будь-якій нешкідливій бактерії, яка зазвичай благополучно перетравлюється в кишечнику дрозофіл, то така модифікація дозволить бактеріальній клітині вижити в травному комаховому тракті. Виходить, бактерії здатні залишатися в тісній взаємодії з комахами, що літають. Вони, якщо можна так сказати, навчилися літати. Точніше, як зазвичай кажуть біологи — пристосувалися.

На сьогодні виявлено принаймні два види, які мають ген evf. І тут треба звести докупи два факти. Перший полягає в тому, що не всі штами нового виду мають геном «дружби» з дрозофілою. Другий — що такий ген є не лише новий вид. З цього випливає, що ген evf було придбано за допомогою так званого горизонтального перенесення генів. Це особливий спосіб передачі корисних для виживання та поширення генів між бактеріями різного ступеня спорідненості. Такі гени можуть кодувати, знову ж таки, гени стійкості до антибіотиків або гени ферментів, що дозволяють використовувати як їжу якийсь новий субстрат.

Результатом перенесення зазвичай стає так звана селективна перевага штаму: такі бактерії починають швидше розмножуватися і мають більше шансів отримати чисельну перевагу у своїй чи чужій екологічній ніші. Але гени не беруться із повітря. Швидше за все, ген evf є в якихось інших бактерій, наприклад, у представників нормальної мікрофлори кишечника комах або ґрунтових мікроорганізмів. Таким чином, бактеріям вигідно ділитися корисними генами один з одним – це один із важливих факторів їхньої швидкої еволюції.

Але якщо бактерії мокрої гнилі можуть поширюватися комахами, що літають, недостатньо просто ізолювати гнилі бульби від решти врожаю або обробити картоплю бактеріофагами. Бактерії навчилися використовувати мушок як засіб транспорту на великі відстані, а отже, контролювати необхідно і комах-переносників.

Навіщо таке співжиття бактеріям, більш-менш зрозуміло: їм важливо швидше й надалі поширитися. Що ж до плодових мушок, то, на мій погляд, вони потоваришували з бактеріями, щоб разом харчуватися рослинною їжею. Не виключено, що бактерії, що виділяють ферменти для засвоєння рослинних компонентів, можуть робити те саме і в кишечнику дрозофіли, допомагаючи своєму крилатому хазяїну-співтрапезнику руйнувати рослинні залишки до простих цукрів. Такі цукри засвоюються набагато легше. Як жест у відповідь плодова мушка переносить частину бактерій на нову бульбу картоплі в сусіднє овочесховище.

Це дуже простий та ефективний механізм взаємовигідного існування бактерії та комахи. Якщо вдуматися, приблизно так само будуються стосунки людини та молочнокислих бактерій, які присутні у молочних продуктах та одночасно становлять значну частину мікрофлори нашого кишечника.