Роль эндофитных бактерий в лекарственных растениях: новые горизонты в антимикробной терапии и устойчивом сельском хозяйстве

Термин "эндофит" относится к бактериальному или грибковому микроорганизму, который колонизирует внутренние органы растений, но не оказывает патогенного воздействия на своих хозяев. В этих симбиотических отношениях хозяйское растение (макрофит) защищает и питает эндофита, который в свою очередь производит биоактивные метаболиты для защиты растения-хозяина от травоядных животных, насекомых и патогенов. Кроме того, эндофиты отвечают за адаптацию растений и к абиотическим стрессам, таким как воздействие засухи, света и металлов [1-3]. Натуральные микробные продукты представляют собой огромный и в значительной степени неиспользованный ресурс уникальных химических структур, которые были оптимизированы эволюцией и производятся для коммуникации и в ответ на изменения в среде обитания растений, включая экологический стресс (рисунок 1) [1-4]

Метаболиты, полученные от: эндофитов за счет взаимодействия с растениями билатерального синтеза растения посредством индукции эндофитов

Роль метаболитов, связанных с эндофитами:

защита и конкуренция бактериальная коммуникация специфическое взаимодействие с растением / сигнализация получение питательных веществ

Рисунок 1 – Схематический обзор, показывающий различные типы взаимодействий растений и эндофитов, приводящие к синтезу метаболитов, которые во многих случаях не вырабатываются макро- или микросимбионтом отдельно

Эндофитные бактерии обнаружены почти во всех растениях, изученных на сегодняшний день, от сельскохозяйственных культур до дикорастущих растений, включая многие лекарственные виды, которые известны своими биологически активными веществами [5].

Разнообразие эндофитных бактериальных сообществ варьируется у разных видов растений и зависит от типа тканей (корней, стеблей, листьев)

и условий окружающей среды. Наиболее встречающиеся виды относятся к типам Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria и Bacteroidetes [6, 7].

Эндофиты могут улучшить рост и развитие растений несколькими способами. Фитогормоны, такие как ауксины, цитокинины и гиббереллины, способствуют росту растений непосредственно. Кроме того, они обладают способностью участвовать в усвоении питательных веществ, например, фиксировать атмосферный азот, растворять фосфаты и улучшать поглощение минералов из почвы [8].

Кроме того, эндофитные бактерии могут создать системную устойчивость к множеству вредителей и патогенов. Эндофиты могут производить определенные антимикробные вещества или запускать собственные защитные механизмы, изменяя метаболические пути растения, что приводит к этой индуцированной устойчивости [9, 10].

Эндофитно-растительные ассоциации

Явление установления организмами долгосрочных и сложных взаимоотношений широко признано важным экологическим феноменом Например, сложные отношения между растениями и их симбиотическими микроорганизмами свидетельствуют об этом. Siegel и Bush утверждают, что симбиоз в широком смысле слова не подразумевает вреда или пользы для участвующих видов, а скорее приводит к ряду исходов на континууме взаимодействий видов [11]. Этот спектр включает в себя как антагонистические, так и взаимовыгодные отношения. Биохимическое взаимодействие между микроорганизмами и их растительными хозяевами является одним из наименее исследованных аспектов природных систем. Эти микробы обычно обитают в подэпидермальных слоях растительной ткани, не вызывая видимых симптомов. Колонизация эндофитами является тонкой и внутренней, что затрудняет её обнаружение в естественных условиях.

Предполагается, что такие отношения могли возникнуть одновременно с появлением высших растений на Земле, с доказательствами присутствия микробов в ископаемых остатках древних растений. С течением тысячелетий можно предположить, что некоторые эндофиты развили механизмы обмена генетическим материалом с растительными хозяевами, облегчая адаптацию к изменениям окружающей среды и улучшая совместимость. Это могло объяснить развитие биохимических путей у микробов, которые синтезируют гормоны роста растений, включая все пять известных классов: ауксины, абсцизины, этилен, гиббереллины и кинетины. Кроме того, независимое эволюционирование могло позволить эндофитам лучше приспособиться к растительным хозяевам, возможно, развившись до такой степени, что они могли внести значительный вклад в симбиотические отношения. Однако, кажется, мало внимания уделяется расшифровке сложных химических и биохимических процессов, регулирующих взаимодействия эндофитов Специфичность эндофитов к определенным растениям указывает на то, что между хозяином и его микроорганизмом происходят сложные биохимические взаимодействия. Понимание этих динамик может быть ключевым в определении эндофитов, потенциально способных выдавать новые лекарственные соединения. Растения имеют различные ассоциации с микроорганизмами, от внутриклеточных симбиозов, таких как симбиоз бобовых растений с ризобиями и формирование арбускулярных микориз с грибами, до патогенных взаимодействий, где бактерии манипулируют защитными механизмами растений. Эндофиты также могут выступать в роли патогенов и сапротрофов, в некоторых случаях атакуя или разлагая хозяев, с которыми они не образуют эндофитных ассоциаций. Во взаимовыгодных ассоциациях зараженные растения получают пользу, например, проявляя повышенное сопротивление к выпасу травоядными за счет производства различных алкалоидов, улучшения роста и конкурентоспособности за счет повышения потенциала усвоения минералов, фенотипических признаков растений, температурной и засухоустойчивости, устойчивости к тяжелым металлам в почвах, склонности к вегетативному размножению и защите от микробных патогенов. Была разработана следующая гипотеза: взаимодействия как патогена с хозяином, так и эндофита с хозяином включают постоянные взаимные антагонизмы, по крайней мере частично основанные на вторичных метаболитах, которые производят партнеры. В то время как взаимодействие патогена с хозяином является несбалансированным и приводит к заболеванию, отношения эндофита с его хозяином характеризуются сбалансированным антагонизмом [12, 13].

Примеры взаимодействия видов, охватывающих континуум симбиоза, влияющего на экологическую приспособленность хозяина, включают эндофитные грибы рода Epichloe ( Clavicipitaceae ) и некоторые виды злаков ( Poaceae ). Для этого симбиоза недавно был предложен континуум взаимовыгодности-паразитизма. Инфицированные злаки редко показывают внешние признаки эндофита, но могут иметь повышенную экологическую приспособленность и устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам. Примечательно, что во многих случаях устойчивость к биотическим стрессам была связана с натуральными продуктами, особенно биозащитными пирролизидиновыми, индольными и пирролопиразиновыми алкалоидами, производимыми ассоциациями злаков с эндофитами, действующими в защитном симбиозе. Различные эндофиты были обнаружены как играющие важную роль в жизнеспособности растения-хозяина. Так, например, производство двух макроциклических алкалоидов, пирроцидинов А и В с антибиотической активностью, грибом-эндофитом Acremonium zeae , недавно было связано с защитой его хозяина, кукурузы, от патогенных и микотоксин-продуцирующих грибов Aspergillus flavus и Fusarium verticillioides

Значимо, что большинство натуральных продуктов, встречающихся у эндофитных микроорганизмов, показали антимикробную активность, и во многих случаях они были связаны с защитой растения-хозяина от фитопатогенных микроорганизмов [14, 15].

Эндофитные бактерии лекарственных растений

Эндофитные бактерии обладают антимикробным потенциалом, который представляет значительный интерес для использования в аграрной отрасли и медицине. Способные вырабатывать обширный ассортимент антимикробных веществ, они являются перспективным источником новых активных соединений, которые могут способствовать созданию новых антибиотических препаратов, антимикотических средств и биопестицидов [5]. Этот факт привел к повышенному интересу к изучению эндофитов лекарственных растений, которые уже известны своим богатым набором биологически активных соединений, в качестве потенциальных источников новых противомикробных агентов [16].

Благодаря широкому спектру растительных вторичных метаболитов с терапевтическим потенциалом поиск новых антимикробных веществ в лекарственных растениях выдвигается в качестве надежной альтернативы традиционным антибиотикам. С ростом проблемы резистентности к антибиотикам во всем мире возникает острая потребность в новых лекарствах. В этой ситуации лекарственные растения и эндофитные микроорганизмы представляют собой перспективный источник новых антибиотиков. Исследования, проводимые с использованием геномных технологий, дают новые возможности для понимания сложных взаимосвязей между биосинтезом полезных соединений, которые традиционно ценятся в медицине за их противомикробные качества, и растительными микробиомами.

Изучение эндофитов, связанных с растениями, показало, что они способны синтезировать особые вторичные метаболиты, которые растение-хозяин не может производить. Кроме того, в период изолированного культивирования эндофиты не производят этих вторичных метаболитов сами. Например, исследования эндофитных бактерий Pseudomonas stutzeri E25 и Stenotropomonas maltophilia CR71 показали, что они производят противогрибковые летучие органические соединения, такие как диметилдисульфид (DMDS), которые могут контролировать фитопатогены, такие как Botrytis cinerea, что приводит к улучшению роста растений.

Совместная инокуляция различных эндофитных штаммов, таких как P. stutzeri E25 и S. maltophilia CR71, продемонстрировала синергические эффекты. Эти результаты указывают на то, что существует возможность создания высокоэффективных средств биоконтроля и стимуляторов роста растений. Благодаря этому методу можно снизить зависимость от химических средств сельскохозяйственного производства, что соответствует более экологически чистым методам сельского хозяйства [2, 17].

Обзорная статья Ping Chen и соавторов анализирует критическую роль эндофитов в микробиомах растений, особенно в контексте передачи и динамики генов устойчивости к антибиотикам. Исследование подчеркивает значимость эндофитных бактерий в лекарственных растениях как потенциальных источников новых антимикробных агентов. Особое внимание уделяется происхождению и передаче этих генов, включая воздействие внешних факторов, таких как почва и воды, и механизмы горизонтального переноса генов через мобильные элементы, такие как плазмиды. Статья подчеркивает важность этих процессов для понимания и решения глобальной проблемы устойчивости к антибиотикам, подчеркивая роль растительных микробиомов в распространении генов устойчивости через экосистемы, что представляет угрозу для общественного здоровья [18].

Механизмы антимикробной активности

Для разработки новых антимикобактериальных соединений используется идея использования натуральных продуктов для борьбы с микробными патогенами; это особенно важно из-за угрозы глобального распространения туберкулеза и появления штаммов, устойчивых к лекарствам. Основным источником этих веществ являются лекарственные растения и их эндофиты, которые производят поликетиды и малые пептиды с противотуберкулезной активностью [19].

Кризис множественной лекарственной устойчивости (МЛУ) микроорганизмов подчеркивает, насколько важно восстановить традиционные методы лечения и использовать новые растительные соединения. Эндофиты, эндосимбиотические микроорганизмы, обитающие в тканях растений, являются предметом особого внимания. Эти микроорганизмы производят вторичные метаболиты с высокой биоактивностью, что делает их потенциальным источником новых лекарств, направленных на борьбу с патогенами МЛУ. Эндофиты могут поддерживать здоровье растений и производить алкалоиды, стероиды, терпеноиды и другие соединения, что открывает новые возможности для разработки лекарств. Исследования подчеркивают богатство эндофитов бактериальных и грибковых бактерий, способных противостоять МЛУ, особенно среди аскомицетов и актинобактерий. Это может помочь в разработке биоконтролирующих методов, чтобы противостоять опасностям, возникающим в преддверии «постантибиотической эпохи» [21].

В обзоре Yu и соавт. подчеркивается потенциал скрининга антимикробных соединений из эндофитов в качестве стратегического подхода к борьбе с растущей угрозой, исходящей от устойчивых к лекарственным средствам патогенов человека и растений. Он классифицирует антимикробные метаболиты, выделенные из эндофитов, на различные структурные классы, такие как алкалоиды, пептиды, стероиды, терпеноиды, фенолы, хиноны и флавоноиды, демонстрируя структурное разнообразие и спектр биологической активности этих соединений. Этот набор противомикробных препаратов подчеркивает неиспользованный потенциал эндофитов в открытии новых антибиотиков и противогрибковых средств, которые могут решить насущную глобальную проблему устойчивости к противомикробным препаратам [22].

Статья Kaur с соавт. описывает биотехнологические методы получения камптотецина, противоракового алкалоида, из эндофитов бактерий и грибков, выделенных из лекарственных растений. Камптотецин, изначально полученный из Camptotheca acuminata , обладает высокой фармакологической активностью и эффективно ингибирует топоизомеразу I. Эндофиты являются эффективной альтернативой традиционным методам экстракции, но они сталкиваются с проблемами экологической устойчивости и низкой концентрацией активных соединений. Разнообразие эндофитов, способных синтезировать камптотецин, делает возможным устойчивое производство этого вещества. Обзор также обсуждает оптимизацию ферментации и генную инженерию для увеличения производства камптотецина. Он подчеркивает потенциал эндофитов в производстве фармакологически активных веществ [23].

Научные работы показали, что эндофитные бактерии из растения Cordia dichotoma , произрастающего в Джамму (Индия), могут служить источником новых противомикробных веществ. В ходе исследования было обнаружено 33 различных бактериальных эндофита из корней, стеблей и листьев с помощью методов поверхностной стерилизации. Эти эндофиты, включая Bacillus , Pseudomonas и Staphylococcus , очень разнообразны, особенно в корнях. Большинство из них проявляли антимикробную активность, особенно в отношении Bacillus subtilis и Klebsiella pneumoniae

Они также проявляли чувствительность к эритромицину и стрептомицину, но, в то же время, проявляли устойчивость к бацитрацину, амоксициллину и рифампицину. В исследовании экстракта Bacillus thuringiensis были обнаружены активные соединения, такие как дибутилфталат и тетрапентаконтан, известные своими антибактериальными свойствами; этот изолят продемонстрировал высокую противомикробную активность [24].

Исследование антимикробной активности эндофитных бактерий из солодки ( Glycyrrhiza uralensis ), традиционного китайского лекарственного растения, выявило значительную активность штаммов Bacillus , особенно Bacillus atropaeus , против патогена Verticillium dahliae . Скрининг 114 эндофитных штаммов показал, что Bacillus atropaeus XEGI50 вырабатывает биоактивные соединения с высокой противомикробной активностью, особенно при совместной культивации с патогенным грибом. Идентификация этих соединений с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии выявила наличие мощных противомикробных агентов, подчеркивая потенциал Bacillus atropaeus как кандидата для биоконтрольных приложений [25].

Исследование Ogbe и др. анализирует влияние эндофитов на производство вторичных метаболитов в лекарственных растениях под воздействием абиотического стресса. Факторы, такие как возраст растения и этап его развития, а также таксономическая принадлежность симбионтов, играют ключевую роль в этом процессе. Эндофиты, населяющие разные части растений, способствуют их росту, репродукции in vitro и биосинтезу полезных соединений, увеличивая их устойчивость к абиотическим стрессам, таким как изменение климата. Мутуалистические отношения между растениями и эндофитами улучшают поглощение питательных веществ и снижают воздействие болезней. В исследовании подчеркивается разнообразие эндофитов, включая бактерии, грибы и археи, каждый из которых вносит вклад в способность растения справляться со стрессом. Это взаимодействие представляет собой потенциальный путь для оптимизации производства ценных растительных метаболитов на промышленном уровне [26].

Согласно обзору Orozco-Mosqueda, сложные взаимодействия между растениями и их микробными эндофитами включают грибы и бактерии, которые имеют жизненно важное значение для фермерства. Геномный анализ этих микроорганизмов имеет большое значение, поскольку он помогает понять молекулярные механизмы их взаимодействия с растениями. В обзоре подчеркивается, как эндофиты могут помочь в биоконтроле, стимуляции роста растений и адаптации к стрессам, предлагая экологически безопасную замену агрохимикатам. Исследование подчеркивает, насколько важно включение эндофитных микробов в сельское хозяйство для создания биоудобрений и биостимуляторов, что позволяет создавать более устойчивые аграрные практики и снижать вредные последствия для здоровья человека и окружающей среды [27].

Статья Strobel рассматривает эндофиты как малоиспользуемые источники биологически активных продуктов с потенциальной медицинской ценностью, особенно в отношении лечения рака, устойчивых к лекарствам бактерий, простейших и грибов. Грибы и бактерии, такие как эндофиты, играют важную роль в производстве противомикробных агентов; поэтому их использование может быть жизненно важно для разработки новых методов лечения заболеваний, связанных с лекарственной устойчивостью. Их генетическое и биологическое разнообразие делает их привлекательными для разработки новых противомикробных веществ. В этом исследовании особое внимание уделяется эндофитам, производящим таксол. Таксол — это мощное противораковое средство, которое вырабатывается симбиотическими микроорганизмами в растениях, а также в тихоокеанском тисе. Это открытие подчеркивает возможности эндофитов в фармацевтической индустрии и их роль в поддержании здоровья растений, производя биоактивные метаболиты [5].

Эндофиты, такие как грибы и бактерии, предлагают экологически безопасные альтернативы синтетическим пестицидам и удобрениям, играя важную роль в поддержании устойчивости сельского хозяйства и здоровья окружающей среды. Они способствуют росту и здоровью растений путем биоконтроля, улучшения поглощения питательных веществ и защиты от патогенов, производя противомикробные метаболиты и хелаторы железа. Кроме того, обсуждается использование генетически модифицированных эндофитов. Улучшение производства полезных метаболитов и помощь в решении проблем с сельской местностью и окружающей средой могут быть достигнуты за счет расширения понимания их биологии и разработки генетических манипуляций [28].

В обзоре Yadav и Meena рассматриваются эндофиты лекарственных растений пустыни Тар и подчеркивается их важность для биофармацевтики. Несмотря на суровые условия, пустыня Тар богата лекарственными растениями, которые традиционно используются для лечения различных болезней. Эти растения обладают способностью производить вторичные метаболиты с терапевтическими свойствами.

Эндофиты необходимы для способности растений синтезировать важные соединения, которые используются как в современной, так и в традиционной медицине. Исследования, проведенные на растениях, таких как Calotropis gigantea и Moringa oleifera , показали, что эндофитные обитатели растений, такие как грибы Phoma sp. и Aspergillus fumigatus , проявляют значительные антимикробные и антипролиферативные свойства. Это делает растения потенциально привлекательными для поиска новых лекарственных молекул.

Важно, чтобы исследование показало, как эндофиты могут быть использованы для устойчивого производства фармацевтически значимых веществ с минимальным вредом для растений. Обнаружение таксола, противоракового вещества, производимого эндофитным грибом Taxomyces andreanae , является примером такого подхода. Дальнейшее изучение эндофитного разнообразия необходимо для разработки новых лекарств и обеспечения устойчивости к лекарствам [29].

Исследование, проведенное Li и соавт., обращается к антибактериальной активности и химическому разнообразию вторичных метаболитов, производимых эндофитами лекарственного растения Ampelopsis grossedentata , которое произрастает в Западном Хубэе, Китае Исследование показывает, что эндофитные грибы могут помочь в борьбе с инфекциями, вызванными множественно устойчивыми бактериальными патогенами. Это подчеркивает их роль как источника новых антибиотиков.

В растении A. grossedentata были обнаружены четыре эндофитных гриба, и Alternaria alternata TC-11 продемонстрировала сильную антибактериальную активность. Способность этого штамма противостоять различным бактериальным патогенам, включая устойчивые штаммы, подтвержденные методами дисковой диффузии.

Химический анализ A. alternata TC-11 с использованием LC-Q-TOF-MS/MS и GC-MS обнаружил ряд веществ, в том числе альтернариановую кислоту и эргоста-4,6,8(14),22-тетраен-3-он, которые способствовали наблюдаемой антибактериальной активности. Это подчеркивает роль эндофитов в разработке новых противомикробных препаратов и предлагает устойчивый метод решения проблемы лекарственной устойчивости во всем мире [29, 10].

Потенциал применения и перспективы на будущее

Исследование антимикробного потенциала эндофитов из лекарственных растений представляет значительные перспективы для медицины, сельского хозяйства и биотехнологии. Эндофиты, являясь источником новых биологически активных соединений, могут способствовать разработке новых противомикробных препаратов, необходимых из-за роста устойчивости к лекарствам [20]. Эндофиты также могут быть использованы в агенты биоконтроля, предлагая экологически чистые альтернативы химическим пестицидам, а также в производстве биоконсервантов и биостимуляторов для сельского хозяйства.

С помощью геномных и метагеномных подходов исследователи могут глубже изучить микробные сообщества и выявить новые пути биосинтеза противомикробных соединений [2]. Дальнейшие исследования должны сосредоточиться на экологической роли и функциональной характеристике эндофитов, чтобы лучше понять их взаимодействия с растениями-хозяевами в природных условиях.

Развитие устойчивых методов производства и добычи противомикробных соединений из эндофитов будет важно для увеличения доступности этих соединений. Вместе с тем, необходимо обеспечить комплексное изучение экологического воздействия и токсичности новых препаратов для их безопасного применения.

В итоге, эндофиты лекарственных растений предлагают обширные возможности для решения проблем здоровья человека, устойчивости сельского хозяйства и защиты окружающей среды, требуя продолжения междисциплинарных исследований для полного раскрытия их потенциала.

Заключение

Эндофиты лекарственных растений предоставляют обширные возможности для разработки новых антибиотиков, фунгицидов и биопестицидов, отвечающих современным вызовам в области здравоохранения и сельского хозяйства. Использование геномных и метагеномных подходов дает нам инструменты для детального изучения эндофитных сообществ и их биохимических взаимодействий с растениями

Данная работа подтверждает значительный потенциал лекарственных растений и их эндофитных микроорганизмов в создании инновационных и экологически устойчивых методов борьбы с микробной устойчивостью и улучшения здоровья растений.