Як рослини перетворюються на зомбі

Цікаву історію про рослини, пиво, бактерії та зомбі розповів доктор Сем Магфорд, науковий співробітник Центру Джона Іннеса (Велика Британія), приурочивши її до Хелловїна: «У 2018 році я побачив у соціальних мережах пост місцевого вчителя, який помітив щось дивне у своєму саду. Його рослини хмелю відрощували листя там, де мали бути квіткові шишки. Як вчений-­рослинник та ентомолог, я цим зацікавився. Крім того, я люблю варити пиво. І, нарешті, у мене були підозри щодо причин такого аномального розвитку.

У лабораторії Хогенхаут у Центрі Джона Іннеса наша команда вивчає взаємодію комах з рослинами, зокрема сисних комах, таких як попелиці, цикадкі та пінниці. В усіх цих комах є спільне — спеціалізовані ротові органи, які називаються стилетами. Ці колючі сисні органи проникають у рослину і витягують сік з її «вен», як вампіри. Це робить цих комах відмінними переносниками хвороб, таких як віруси та бактеріальні фітопатогени.

 

Одни з патогенних для рослин бактерій, що вивчаються нами, — це фітоплазма. Це внутрішньоклітинні бактерії, що ускладнює їхнє вивчення, оскільки вони розвиваються лише усередині клітин рослин чи тварин. Ми не можемо вирощувати їх у лабораторних умовах у чашці Петрі, тому вивчаємо їх усередині рослини або навіть усередині комахи.

Фітоплазми роблять із рослинами дуже дивні речі. Вони не просто заражають їх і роблять хворими — вони беруть під контроль розвиток рослин, часто змінюючи квіти, щоб створити листкові структури замість пелюсток (наприклад, філодії на соняшнику). По суті, бактерії перетворюють рослини на зомбі, контролюючи їхній розвиток заради власної вигоди. Ви можете побачити вплив фітоплазми на всі види рослин, у тому числі сільськогосподарські культури. Сюди входять нут, соя, олійний ріпак, соняшник та інші. Фактично, фітоплазми можуть бути серйозними шкідниками для олійного ріпаку та соняшнику у багатьох регіонах світу.

І коли я побачив в соціальних мережах пост про хміль, на якому замість класичної структури квіткової шишки росло листя, моєю першою думкою було те, що це може бути спричинене саме фітоплазмою.

 

У сосни, зараженої фітоплазмою, гілки розвиваються хаотично, утворюючи неконтрольовану кущову структуру. Ці симптоми відомі як відьмова мітла. Крім листкових квітів та кущових структур, є ще одна зміна у розвитку квіток, яку викликає фітоплазма — безладність. Зазвичай квіти утворюються за певним планом, і коли вони ростуть, вони формують пелюстки, чашолистки, пиляки, тичинки і т. д., а потім зупиняються. Однак квіти, заражені фітоплазмою, стають невизначеними та продовжують вирощувати листкові квіти із середини квіткових структур. Фітоплазма взяла контроль над розвитком рослини. Але чому? Яка з цього користь бактеріям?

Виявляється, певні зміни рослин, спричинені фітоплазмами, привабливі для комах-­переносників. Ці комахи не є запилювачами. Їх не цікавлять квіти, їм не подобаються яскраві кольори, що «кричать». Їм не потрібний пилок, їм потрібний сік, тому їх цікавлять красиві, зелені, кущисті рослини. Це саме той тип рослин, які заражені фітоплазмою.

Коли ви проводите експерименти, надаючи цикадкам вибір між зараженою та незараженою рослиною, вони з більшою ймовірністю виберуть заражену і відкладуть там яйця або харчуватимуться ним, і саме так вони підхоплюють фітоплазму. Зміни в рослинах, викликані фітоплазмами, насправді допомагають життєвому циклу бактерій, оскільки вони спонукають комах підхоплювати та поширювати їх.

Рослини, заражені фітоплазмою, не здатні розмножуватися. Квіти безплідні, вони не можуть продукувати насіння. Вони живуть довше, їхній життєвий цикл подовжується. Вони живуть лише для того, щоби служити своїм бактеріальним господарям.

 

Ідея зомбі у природі не є унікальною для фітоплазм, оскільки існує безліч прикладів, коли зараження організмів паразитами нагадує стосунки зомбі — господар. Равлики можуть бути заражені черв’яком-трематодою, який викликає зелений і опуклий ріст її вусиків, який пульсує та імітує рух гусениці, щоб привабити птахів до корму, схожого на гусеницю. Ця зміна спонукає птахів прилітати і поїдати равлика, тим самим поширюючи інфекцію. Знову ж таки, паразит бере під контроль свого господаря заради власної вигоди.

Іншим прикладом таких зомбічних відносин між рослинами і паразитами є грибний патоген, який уражує рослину під назвою Bochera із сімейства Капустяних. Але на відміну від фітоплазм, він викликає розвиток листя, що нагадує квіти. Гриб продукує спори із структур, схожих на квіти. Ці структури приваблюють запилювачів, які замість того, щоб збирати пилок, випадково підбирають спори гриба і поширюють їх.

 

Аналогічно з рослинами, вже відомий кордицепс — це група грибів, які заражають комах, наприклад, мурах. Інфекування кордицепсом змінює поведінку мурах, змушуючи їх підніматися на верхівки дерев, і саме там гриб виробляє своє плодове тіло. Цей гриб, який проростає з голови мурахи, поширює грибні спори високо у повітря.

Те, як фітоплазми контролюють розвиток рослини, було предметом наших досліджень протягом багатьох років, і ми виявили, що, потрапивши всередину, фітоплазми виділяють низку білків у клітину рослини-­господаря.

Дослідницька група виявила понад 50 різних білків, які ці бактерії можуть вводити у рослинну клітину. Тут вони взаємодіють із клітинними процесами різними способами та впливають на розвиток рослин. Це і є предметом наших досліджень.

Один із способів, яким ми проводимо наші дослідження, — це ідентифікація генів із фітоплазм, які кодують білки, і ми вводимо їх у рослини, щоб їхні клітини виробляли лише один із цих білків. Потім ми досліджуємо, як вони впливають на розвиток рослини.

Ми ставили питання на кшталт: «Чи викликають якісь білки появу листкоподібних квітів? Розгалуження? Чи роблять рослини більш привабливими для цикад? І якщо говорити зовсім коротко, так, вони це роблять.

На даний момент ми ідентифікували та працювали з трьома білками: SAP11, SAP05 та SAP54. Обидва білки — SAP11 і SAP05 0 — викликали у наших тестових рослин арабідопсису підвищене розгалуження, нагадуючи рослини, заражені фітоплазмою. SAP54 змусив квіти перетворитися на листкові структури. І це не за наявності зараження фітоплазмами, це лише дія одного білка. Ми також виявили, що за використання всіх цих трьох білків, коли ви змушуєте рослини їх експресувати, рослини стають більш привабливими для цикад.

Отже, як тільки-но я побачив дивний хміль на фото, то подумав: «Там може бути фітоплаз­ма». Я зв’язався з людиною, яка розмістила пост, і він, як виявилося, жив неподалік, тому він приїхав до Центру Джона Іннеса в Норвічі і привіз із собою кілька своїх потенційно заражених фітоплазмою квіток хмелю, а також кілька безсимптомних квіток. Я витягнув ДНК і провів ПЛР-тести, щоб спробувати виявити фітоплазму, і в симптоматичній квітці таки знайшлися ДНК фітоплазми.

Для мене очевидним наступним кроком було зварити трохи пива із зараженого хмелю. Тому ми віднесли заражені квітки хмелю в мій домашній сарай для пивоваріння, а потім запитали, який солод ми могли б використати для цього особливого «зомбі»-пива. За збігом, кілька років тому мій колега доктор Кріс Рідаут винайшов старовинний сорт ячменю Шевальє (Chevallier), воскресив його, і тепер цей сорт із стійкістю до хвороб вирощують та використовують у комерційних цілях. Що може бути краще, ніж використовувати ячмінний солод, який був воскрес з мертвих для зомбі-пива? Використовуючи солод та зомбі-­хміль, ми зробили чудовий зомбі-­стаут.

Моя порада — стежте за своїми рослинами, але не лякайтеся — фітоплазми не є небезпечними для людей чи тварин (на відміну від рослин».