Upregulation of chitinase and β-1,3-glucanase enzymes and modulation of biochemical defense response by fungal endophytes against Rhizoctonia solani in cotton

Katoen is meer dan alleen een stof; het is een wereldwijde landbouwmotor, waarbij India alleen al bijna de helft van de katoenvelden ter wereld bewerkt. Toch wordt dit vitale gewas geconfronteerd met een stille, ondergrondse vijand. Een microscopische schimmel genaamd Rhizoctonia solani leeft in de bodem en wacht om jonge katoenzaden aan te vallen. Het veroorzaakt een conditie die bekend staat als zaailingafsterven (damping-off), waarbij de stengels van de zaailingen bij de basis rotten, waardoor ze instorten en sterven voordat ze zich zelfs maar kunnen vestigen. Decennialang hebben boeren tegen deze vijand gevochten met chemische fungiciden, maar deze chemicaliën kunnen de bodem en de gunstige microben die erin leven schaden, terwijl de schimmel zelf uiteindelijk resistent kan worden tegen deze middelen. De natuur biedt echter een ander soort oplossing. Verborgen in de weefsels van gezonde planten leven microscopische schimmels die endofyten worden genoemd. Dit zijn geen indringers; het zijn permanente, onschadelijke bewoners die in de plant leven zonder ziekte te veroorzaken. In veel gevallen fungeren deze interne gasten als bewakers, door stoffen te produceren die plagen afweren of door het eigen immuunsysteem van de plant te activeren zodat het klaar staat voor een aanval.

Een team onderzoekers van het Central Institute for Cotton Research in Nagpur, India, zette zich in om te zien of ze deze interne bewakers konden gebruiken om katoen te beschermen tegen de dodelijke bodemschimmel. Ze richtten zich op drie specifieke soorten fungiele endofyten die ze eerder in gezonde katoenplanten hadden gevonden. De wetenschappers wilden weten of ze de natuurlijke verdediging van de katoenplant konden activeren voordat de vijand zelfs arriveerde. Hiervoor namen ze katoenzaadjes en weekten deze in een vloeistof die sporen van deze gunstige schimmels bevatte, een proces dat bekend staat als zaad-biopriming. Deze stap gaf de zaden in essentie een voorsprong door ze te coaten met hun nieuwe microscopische bondgenoten. Vervolgens plantten ze deze behandelde zaden in een bodem die geïnfecteerd was met de ziekteverwekkende schimmel, naast zaden die geen behandeling hadden ontvangen. Het doel was om te observeren hoe de behandelde planten standhielden tegen de infectie en om precies te begrijpen wat er binnen de plantencellen gebeurde om hen sterker te maken.

De resultaten toonden aan dat de strategie opmerkelijk goed werkte. De zaden die behandeld waren met de gunstige schimmels groeiden uit tot zaailingen die veel grotere kans hadden om de aanval te overleven dan de onbehandelde exemplaren. Sterker nog, de zaden die behandeld waren met één specifieke endofyt, Daldinia eschscholtzii, vertoonden de hoogste ontkiemingspercentages, waarbij 91 procent van hen succesvol ontkiemde zelfs in aanwezigheid van de ziekte, vergeleken met slechts 67 procent voor de onbehandelde zaden in de geïnfecteerde bodem. Maar het verhaal gaat dieper dan alleen de overlevingskansen. De onderzoekers keken in de weefsels van de overlevende planten om te zien welke biochemische veranderingen er hadden plaatsgevonden. Ze ontdekten dat de behandelde planten zich in feite in een staat van hoge paraatheid bevonden. Ze hadden aanzienlijk hogere niveaus van eiwitten en suikers geaccumuleerd, die dienen als de bouwstenen en brandstof voor de defensieve machinerie van de plant. De planten produceerden ook veel meer fenolische verbindingen, die werken als natuurlijke antiseptica en helpen de celwanden van de plant te versterken, waardoor het voor de binnendringende schimmel moeilijker wordt om door te dringen.

De studie mat ook de activiteit van specifieke enzymen, die de instrumenten zijn waarmee de plant terugvecht. De behandelde planten vertoonden een piek in antioxidantactiviteit, wat helpt om de schadelijke stoffen te neutraliseren die de ziekteverwekkende schimmel vrijlaat om de plant te beschadigen. Eén enzym, genaamd catalase, dat helpt bij het afbreken van giftige bijproducten van de eigen immuunrespons van de plant, was bijzonder actief in de planten die behandeld waren met Deldinia eschscholtzii. Een ander enzym, peroxidase, dat betrokken is bij het verharden van de celwanden van de plant, was ook zeer actief, vooral in planten die behandeld waren met een andere endofyt genaamd Trichoderma sulphureum. Misschien wel het meest veelzeggend was het genetische bewijs. De onderzoekers onderzochten de genen die verantwoordelijk zijn voor de productie van chitinase en bèta-1,3-glucanase, twee krachtige wapens die planten gebruiken om de celwanden van schimmels af te breken. In de planten die behandeld waren met de gunstige schimmels, werden de instructies voor het maken van deze wapens met ongelooflijke snelheid en intensiteit geactiveerd. Binnen vijftien dagen na het planten was de activiteit van het gen voor chitinase met wel zesentwintig keer toegenomen in de planten die behandeld waren met Daldinia eschscholtzii, terwijl het gen voor bèta-1,3-glucanase een negenvoudige toename liet zien. Dit suggereert dat de gunstige schimmels niet alleen de ziekte direct bestreden, maar de katoenplant ook leerden om voor zichzelf te vechten.

De onderzoekers observeerden dat deze defensieve respons geen enkele gebeurtenis was, maar een gecoördineerde inspanning die in de loop van de tijd evolueerde. Terwijl de genetische signalen het sterkst waren in de vroege dagen van het plantenleven, bleven de biochemische defensies, zoals de accumulatie van suikers en eiwitten, zich opbouwen naarmate de planten ouder werden. Dit geeft aan dat de gunstige schimmels de plant voorbereidden om direct klaar te zijn voor een aanval, en vervolgens hielpen die verdediging in stand te houden terwijl de plant volwassen werd. De studie vond niet dat de gunstige schimmels de ziekteverwekkende schimmel volledig elimineerden, maar wel dat ze de schade die het kon aanrichten aanzienlijk verminderden. De planten die behandeld waren met de endofyten waren niet immuun, maar ze waren veerkrachtig genoeg om te overleven en te groeien waar onbehandelde planten zouden zijn gestorven. Deze aanpak biedt een veelbelovend alternatief voor chemische sprays, door te vertrouwen op de natuurlijke samenwerking tussen planten en het microscopische leven dat zij huisvesten. Door simpelweg de zaden te weken in een oplossing van deze helpende schimmels, kunnen boeren hun gewassen potentieel beschermen met een methode die zowel effectief als zacht voor het milieu is, waarbij de eigen interne bondgenoten van de katoenplant worden ingezet als de eerste verdedigingslinie tegen een hardnekkige en destructieve vijand.