The microbial community living within the rust fungus Uromyces hawksworthii assessed through metagenome analysis

تعد فطريات الصدأ من بين أكثر مسببات الأمراض النباتية نجاحاً على وجه الأرض، حيث تصيب المحاصيل والنباتات البرية على حد سواء بدورة حياة معقدة تتطلب غالباً نوعين مختلفين من النباتات العائلة لإكمالها. تنتج هذه الفطريات أنواعاً متميزة من الأبواغ في مراحل مختلفة من تطورها، بما في ذلك الأبواغ العينية (aeciospores) والأبواغ الهاتفية (teliospores)، والتي تعمل كوسيلة لنشر المرض. لعقود من الزمن، عرف العلماء أن هذه الأبواغ ليست عقيمة؛ فهي غالباً ما تأوي مجتمعاً خفياً من الكائنات الحية الدقيقة الأخرى، بما في ذلك البكتيريا والفطريات، التي تعيش على سطحها أو داخلها. وبعض هؤلاء الجيران هم طفيليات فائقة (hyperparasites)، وهي كائنات تتغذى على فطر الصدأ نفسه. إن فهم من يعيش بالضبط داخل هذه الأبواغ وكيف تتغير مجتمعاتهم مع نضوج فطر الصدأ قد يكشف عن طرق جديدة لإدارة هذه الأمراض النباتية المدمرة، وربما من خلال تشجيع الأعداء الطبيعيين للصدأ للقيام بعملية السيطرة.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون لرسم خريطة لهذا العالم غير المرئي داخل فطر الصدأ Uromyces hawksworthii، وهو نوع يصيب النباتات من فصيلة الدبق. ركز الفريق على مرحلتين محددتين من حياة الصدأ: العينية (aecium)، التي تنتج الأبواغ العينية، والهاتفية (telium)، التي تنتج الأبواغ الهاتفية. وبينما كان يتم التمييز بين هاتين المرحلتين سابقاً فقط من خلال مظهرهما الفيزيائي تحت المجهر، اشتبه الباحثون في أن المجتمعات الميكروبية التي تعيش بداخلهما قد تكون مختلفة جوهرياً. وللتحقق من ذلك، جمعوا الأبواغ من الأوراق المصابة في البرازيل واستخدموا تقنية تسلسل جيني قوية لقراءة الحمض النووي لكل بكتيريا وفطر موجود داخل العينات. سمح هذا النهج بتحديد الأنواع المحددة من الميكروبات دون الحاجة لزراعتها في المختبر، مما وفر إحصاءً شاملاً للسكان الميكروبيين المقيمين.

كشف التحليل أنه بينما كانت بعض مجموعات البكتيريا والفطريات مشتركة في كلتا مرحلتي فطر الصدأ، فإن التركيبة العامة لهذه المجتمعات تغيرت بشكل كبير مع نضوج الفطر. في مرحلة العينية المبكرة، كان المجتمع البكتيري تهيمن عليه مجموعتان رئيستان، وهما "البروتيوباكتيريا" (Proteobacteria) و"الأكتينوباكتيريا" (Actinobacteria)، وأظهر تنوعاً أعلى في الأنواع البكتيرية المختلفة. ومع ذلك، مع تقدم الصدأ إلى المرحلة الهاتفية، تغير المشهد البكتيري، حيث أصبحت "الفرميكوتس" (Firmicutes) و"السيانوباكتيريا" (Cyanobacteria) أكثر بروزاً. وأظهر المقيمون الفطريون نمطاً مشابهاً من التغيير؛ فبينما كانت أصناف فطرية معينة موجودة في كلتا المرحلتين، استضافت المرحلة الهاتفية عدداً أكبر بكر من الأنواع الفطرية المختلفة، بما في ذلك مجموعات مثل "الإكسوباسيديوميسيتس" (Exobasidiomycetes) و"البوكينيوميسيتس" (Pucciniomycetes)، والتي كانت أقل شيوعاً بكثير في مرحلة العينية المبكرة.

تشير هذه النتائج إلى أن المجتمع الميكروبي داخل بوغة الصدأ ليس ثابتاً بل يتطور جنباً إلى جنب مع الفطر نفسه. وجد الباحثون أن الاختلافات في هذه المجموعات الميكروبية كانت متميزة للغاية لدرجة أنه يمكن استخدامها للتمييز بين مرحلتي العينية والهاتفية، حتى عند النظر إلى البيانات الجينية وحدها. وهذا التمييز أمر بالغ الأهمية لأنه يعني أن البيئة داخل البوغة تتغير بطرق تحبذ أنواعاً مختلفة من الطفيليات الفائقة في أوقات مختلفة. فعلى سبيل المثال، قد يشير التنوع الأعلى للبكتيريا في مرحلة العينية والتنوع الأعلى للفطريات في المرحلة الهاتفية إلى أن هاتين المرحلتين قد تكونان أكثر عرضة للإصابة بميكروبات محددة في تلك الأوقات، أو أنهما توفران موارد أغنى لها. ومن خلال فهم هذه التحولات الميكروبية المحددة، قد يتمكن العلماء في النهاية من تحديد أي الأعداء الطبيعيين هم الأكثر فعالية في مهاجمة فطريات الصدأ في نقاط محددة من دورة حياتها، مما يوفر نهجاً أكثر استهدافاً للضبط البيولوجي.

أكدت الدراسة أيضاً أن الهياكل الفيزيائية للأبواغ، مثل مسام الإنبات والجدران الواقية، تلعب دوراً في كيفية تشكيل هذه المجتمعات. لاحظ الباحثون أن الفطريات الطفيلية الفائقة غالباً ما تدخل عبر هذه الفتحات المحددة، وأن الطبيعة المتغيرة لجدار البوغة ومحتوياتها الكيميائية مع تطور الصيد likely تؤثر على نوع الميكروبات التي يمكنها البقاء والازدهار. وبينما لا تدعي الورقة البحثية أنها حلت مشكلة أمراض الصدأ، إلا أنها تقدم صورة واضحة ومدعومة بالبيانات لكيفية هيكلة العالم الميكروبي داخل هذه الأبواغ. وتشير النتائج إلى أن مرحلتي العينية والهاتفية ليستا مختلفتين مورفولوجياً فحسب، بل هما بيئتان متميزتان إيكولوجياً، حيث تدعم كل منهما مجتمعاً فريداً من البكتيريا والفطريات يمكن استغلاله لحماية المحاصيل والنظم البيئية الطبيعية من هذه المسببات المرضية المستمرة.