Wageningen, The Netherlands
June 13, 2022
Last year, a team of researchers at Wageningen University & Research discovered how the cells of Phytophthora infestans (potato blight disease) attacks the plant by slicing open its skin. But how these microscopic attackers sharpen their weapons was unknown. This mystery has now been solved. The findings of the multidisciplinary research team have been presented in the journal Science Advances.
Phytophthora is a group of microorganisms that cause devastating diseases in plants across a variety of crops, such as tomato, potato, peppers and cacao. The most notorious member of the family is Phytophthora infestans, responsible for causing the potato blight disease, as mentioned. The potato pathogen hitchhikes on water droplets during rainfall, and when it lands on the leaf, an ingenious mechanism is activated.
The single-celled water mold contains an internal skeleton in the tubular structure it wields as its weapon of attack. The scientists discovered that this cell skeleton, formed from threadlike proteins, in no-time – within 10 seconds – detects the contact with the plant and senses how strong the plant pushes back. Using this information, the cell regroups its proteins to form a ninja-like blade with a sharp point, which it uses to cut open the leaf.
Self-sharpening knife
As if that isn’t peculiar enough, this same mechanism, which the researchers call a mechanostat, also makes sure that the tip of the tubular weapon remains sharp throughout the infection process, like a self-sharpening knife. Since the weapon is made from the same materials as the plant, without this trick, it would quickly become blunt and unable to cut. By forming increasingly strong threads of proteins at the tip of the tube, the mechanostat takes care that the blade remains sharp during the cutting process. How sharp it needs to be, is decided by the mechanostat based on the pressure it detects.
Microscopy recording of the cell skeleton of Phytophthora during penetration of a host shows the self-sharpening structure. Left: shot of the entire cell, right: close-up of the attack structure. Scale bar shows a distance of 5 micrometers
Microscopie-opname van het celskelet van Phytophthora tijdens penetratie van een gastheer laat de zelf-scherpende structuur zien. Links: opname van de gehele cel, rechts: close-up van de aanvals-structuur. Schaalbalk geeft een afstand van 5 micrometer weer
A multidiscplinary team, headed by professor Joris Sprakel of the Laboratory of Biochemistry, together with dr. Tijs Ketelaar and prof. Francine Govers, uncovered this fascinating process. Sprakel: 'This is a beautiful example of the elegance by which nature controls mechanical processes. Of course, these micro-organisms do not have a nervous system by which they can perceive touch. The sense of touch must thus be programmed in the molecules that form the cell skeleton'.
The cell’s sense of touch must be programmed in the molecules that form the cytoskeleton
New forms of control
Now that it is clear how Phytophthora begins its infectious lifestyle in the plant, we can work towards new form of pest control. The scientists think they know which protein makes the mechanical warfare of these pathogens possible. Sprakel: “The most interesting aspect of this, is that this protein is found in the pathogens but not in plants. This makes it an ideal target for control strategies”. A new project to study will start soon.
Wageningse wetenschappers ontrafelen hoe de aardappelziekte zijn wapens slijp
Vorig jaar ontdekte een onderzoeksteam van Wageningen University & Research dat de cellen van Phytophthora infestans (aardappelziekte) de plant aanvallen door de huid van de gastheer open te snijden om binnen te dringen. Maar hoe deze microscopische aanvallers hun wapens slijpen, was nog niet bekend. Dit mysterie is nu ontrafeld. De bevindingen van het multidisciplinaire onderzoeksteam zijn gepresenteerd in het toonaangevende tijdschrift Science Advances.
Phytophthora is een groep micro-organismen die vernietigende plantenziekten veroorzaakt in diverse gewassen, waaronder tomaat, aardappel, pepers en cacao. Het meest beruchte familielid is Phytophthora infestans, verantwoordelijk dus voor de zogeheten aardappelziekte. Het lift mee met waterdruppels en op het moment dat het op een blad landt, treedt er een ingenieus mechanisme in werking.
De eencellige waterschimmel beschikt over een intern skelet in de buisvormige structuur die als aanvalswapen dient. De onderzoekers hebben gevonden dat dit celskelet, gevormd uit draadvormige eiwitten, in no-time – binnen tien seconden – de aanraking met de plant kan waarnemen en kan voelen hoe krachtig de tegendruk van het plantenweefsel is. Op basis van deze informatie hergroepeert de cel zijn eiwitten tot een soort ninja-mes met een scherpe punt, waarmee hij het blad opensnijdt.
Zelfslijpend mes
Alsof dat niet al bijzonder genoeg is, zorgt dit mechanisme, dat de onderzoekers een mechanostaat noemen, er ook voor dat het uiteinde van de buis steeds exact even scherp blijft, als een zelfslijpend mes. Doordat het mes eigenlijk uit eenzelfde soort materiaal bestaat als het plantenweefsel, zou het immers snel bot worden. Door aan het uiteinde van de buis steeds krachtigere kabels van eiwitten te vormen, zorgt de mechanostaat ervoor dat het mes gedurende het snijden steeds scherp genoeg blijft. Hoe scherp het moet zijn, baseert de mechanostaat dus op de druk die hij ervaart.
Een multidisciplinair team onder leiding van hoogleraar Joris Sprakel van het Laboratorium voor Biochemie, samen met dr. Tijs Ketelaar en prof. Francine Govers, heeft dit fascinerende proces blootgelegd. Sprakel: “Dit is een prachtig voorbeeld van de elegantie waarmee de natuur mechanische processen regelt. Deze micro-organismen hebben uiteraard geen zenuwstelsel waarmee ze aanraking kunnen waarnemen. De tastzin moet dus geprogrammeerd zijn in de moleculen van het cytoskelet.”
De tastzin van de cel moet geprogrammeerd zijn in de moleculen van het cytoskelet
Nieuwe vormen van bestrijding
Nu duidelijk is hoe Phytophthora het ziekteproces in de aardappelplant begint, kan worden gewerkt aan nieuwe vormen van bestrijding. De wetenschappers denken inmiddels ook te weten welk eiwit deze mechanische oorlogsvoering van de ziekmakende cellen mogelijk maakt. Sprakel: “Het meest interessante hieraan is dat dit eiwit wel voorkomt in de ziekteverwekkers, maar niet in planten. Dit maakt het dus een ideaal doelwit voor bestrijding.” Een nieuw onderzoeksproject om dit verder te bestuderen gaat binnenkort van start.
Topics
Species
