A sztómák a leveleken található kis vese alakú nyílások, amelyek természetes módon nyílnak és záródnak, működésüket a cirkadián ritmus szabályozza. A sztómák kinyílnak, hogy a növény lélegezhessen vagy lehűlhessen. Ha veszélyt, például szárazságot vagy növénypatogén baktériumok jelenlétét érzékelik, bezárulnak.

Néhány növényi kórokozó, például egyes gombák, képesek erővel behatolni a zárt sztómákon keresztül. A baktériumok azonban nem rendelkeznek az ehhez szükséges enzimekkel, ezért nekik meg kell találniuk a módját annak, hogy újra megnyissák a zárt sztómákat, hogy bejuthassanak a növény belsejébe.

Azt eddig is tudtuk, hogy olyan opportunista baktériumok, mint például a Salmonella, E. coli vagy a Listeria, a nyers zöldségeken, gyümölcsökön is képesek megtelepedni, melyek elfogyasztása vagy keresztszennyezések révén élelmiszer eredetű megbetegedés következhet be.

Már több tanulmány igazolta, hogy a humán patogén Salmonella egyes (vad) törzsei képesek bejutni a növényekbe is és alternatív gazdaként használni azokat. Egy 2020-ban publikált tanulmányban is kimutatták, hogy a humán kórokozó Salmonella Typhimurium is kifejlesztette a zárt sztómák újranyitásának képességét. A növény „megfertőződésének” nincsenek külső jelei, tünetei. Ez azért is jelent problémát, mert a növénybe bejutott mikrobákat mosással nem lehet eltávolítani, ezáltal megnőhet a „megfertőződött” nyers zöldségek, gyümölcsök fogyasztása okozta megbetegedések száma.

A kutatók kifejlesztettek és szabadalmaztak egy jótékony mikrobát –  B. subtilis törzs UD1022 – amely a növény gyökérrendszerét védi és erősíti. Az UD1022-vel kezelt növényekben nem mutatták ki a Salmonella baktérium jelenlétét, illetve a sztómazáródási arányuk is magasabb volt a kontrollcsoporthoz képest. A mikrobát a BASF licenszelte és egyre többféle alkalmazásba integrálják. A szabadalmaztatott mikroba egy egyedülálló törzse a Bacillus subtilisnek, amely egy természetes, hasznos baktérium, amely a gyökerek felszínén és a környező talajban, azaz a rizoszférában él.

A rizoszférában található, a növények egészségét és ellenálló képességét közvetlenül vagy közvetve javító szervezeteket növénynövekedést elősegítő rizobaktériumoknak (plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR) nevezik. Ezek a baktériumok óriási potenciállal bírnak és megoldást jelenthetnek a globális mezőgazdasági rendszerünk előtt álló kihívásokra. Számos baktériumot azonosítottak generalista PGPR-ként, mivel a növények széles körével társulnak, és specifikus növényvédő hatásaikat is leírták. A Bacillus fajok nagymértékben kutatott generalista PGPR-ek, amelyekről ismert, hogy a tápanyagok szolubilizálására és fitohormonok, gombaellenes másodlagos metabolitok és illékony szerves vegyületek (volatile organic compound, VOC) termelésére való képességük révén elősegítik a növények növekedését.

A jobb termesztési megoldások kifejlesztése érdekében a gyártók gyakran több különböző PGPR-fajt is beépítenek készítményeikbe. Bizonyos növény-baktérium-baktérium rendszerekben több PGPR faj szinergikus növénynövekedést elősegítő hatását figyelték meg, más esetekben azonban nem sikerült ilyen hatást kiváltani.

Számos Bacillus fajról ismert, hogy jelmolekulák kémiai lebontására képes enzimeket (quorum quenching, QQ) is termelnek, amelyek megzavarják más baktériumok, köztük kórokozó baktériumok, quorum érzékelés (quorum sensing, QS) jelátvitelét. A QQ-tevékenységek ígéretesek lehetnek a növényegészségügy javításának és az antibiotikum-rezisztencia megkerülésének leendő eszközeként a növényi kórokozók elleni biológiai termékek fejlesztése során.

Ezek a tevékenységek a rizomikrobiom kutatásának ígéretes területei, mivel befolyásolhatják a fajok közötti komplex kölcsönhatásokat. Mivel a PGPR fajok közötti kölcsönhatási mechanizmusokra vonatkozó tudásunk egyelőre korlátozott, további kutatásokra van szükség a témában.

Frissítés

Egy nemrégiben megjelent tanulmány kimutatta, hogy az UD1022 szabadalmaztatott hasznos baktérium képes megvédeni a lucernanövényeket (Medicago sativa) növényi betegségeket okozó gombás kórokozóktól. A lucerna ugyanis fogékony lehet olyan gyakori gombabetegségekre, mint a tavaszi fekete szár- vagy gyökérrothadás, amelyek korlátozhatják a terméshozamát.

Az UD1022 ezt úgy éri el, hogy egy surfactin nevű molekulát termel, amely antibiotikumként hat, és növeli a növény gombákkal szembeni ellenálló képességét. További kísérletek kimutatták, hogy a biofilm képződés szintén szerepet játszanak abban, hogy az UD1022 képes elnyomni a lucerna gombakórokozókat egyes fajoknál. Ez jó hír, és megnyitja az utat további növényi és terepi vizsgálatok előtt, amelyek célja ennek az antagonista viselkedésnek a megértése.

A kutatócsoport úgy vélte, hogy mivel az UD1022-ről ismert, hogy hasznos egyes lencse növény-rizobium kölcsönhatásokban, a gyökérnövekedés elősegítésével és a rizobium számára nagyobb felületet biztosítva a növekedéshez, a lucernában is előnyére válhat ennek a társulásnak. Ezért egy másik kísérletet is elvégeztek, ami kedvezőtlen eredménnyel zárult. Ahelyett, hogy segített volna, az UD1022 valahogy ártott a növény és a rizobium közötti kapcsolatnak, és a növények nem fejlődtek jól.

Ez arra késztette a kutatókat, hogy részletesebben elemezzék a baktérium-baktérium kölcsönhatásokat a rizobium és az UD1022 között. A kutatócsoport tudta, hogy a rizobium baktériumok olyan vegyi anyagokat választanak ki, amelyek további baktériumokat ösztönöznek a gyökér kolonizálására. Amikor közvetlenül a növény nélkül adtak UD1022-t a rizobium baktériumhoz, az nem tudott növekedni. Az UD1022 olyan molekulát (laktonáz) választott ki, amely megszakította a rizobium baktériumok üzenetküldését (quorum quenching), hogy a saját fajtársai megtelepedjenek a növényi gyökerekben, és segítsék a növény növekedését. Ez fokozott veszélynek tette ki a növényt, mivel nem tudta megfelelően megkötni a nitrogént.

Ezek a fajok közötti kölcsönhatások gyakoriak lehetnek a rizoszférában, és megértésük kritikus fontosságú, mivel új fenntartható megoldások kifejlesztésére törekszünk a mezőgazdaságban.

A UD1022-őt, amelyet a BASF szabadalmaztatott, már négy, forgalomban lévő és az Egyesült Államokban és Kanadában értékesített kereskedelmi termékbe építették be. További tanulmányokra van szükség annak megértéséhez, hogy miként és mikor lehet ezeket a jótékony baktériumokat alkalmazni. Célszerűbb lehet, ha először rizobiumot alkalmaznak a növekedés elősegítésére, majd később UD1022-t a kártevők elleni védekezéshez. Továbbá arra is figyelniük kell a termékfejlesztőknek, hogy a baktériumok, amelyek az egyik rendszerben működnek, nem feltétlenül működnek egy másikban.

Ugyanakkor, az UD1022 azon képességének megértése, hogyan szakítja meg a kórokozók kommunikációs jeleit, a humán egészségügy területén is értékes lehet, mivel számos emberi kórokozó ugyanezt a stratégiát használja virulencia vagy fertőzés okozására. A mechanizmusok jobb megértése új kezelési megközelítésekhez adhat támpontokat a betegek egészségének megőrzése érdekében.