“พืช” จะใช้พลังงานในการป้องกันตัวเองจาก “แบคทีเรีย” ที่ทำให้พืชเป็นโรคหรือตายอยู่เสมอ แต่ไม่ใช่ว่าแบคทีเรียทุกชนิดจะเป็นอันตรายต่อพืช ล่าสุดนักวิจัยพบว่า แบคทีเรียในดิน บางชนิดมีบทบาทสำคัญ ในการปรับการตอบสนองภูมิคุ้มกันของพืชและช่วยให้พืชเติบโตได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
จากงานวิจัยของนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Cell Reports นักวิจัยแสดงให้เห็นว่า แบคทีเรียในดินบางชนิดสามารถส่งผลต่อสมดุลของการเจริญเติบโตและการป้องกันของพืชได้ โดยแบคทีเรียที่รวมตัวกันอยู่รอบรากของพืช จะสร้างเอนไซม์ที่สามารถลดกิจกรรมภูมิคุ้มกันของพืชและทำให้รากของพืชเติบโตได้นานขึ้นกว่าปรกติ
“นี่เป็นก้าวเล็กๆ ในการทำความเข้าใจว่าจุลินทรีย์อาศัยอยู่บนโฮสต์ได้อย่างไร ทั้งในพืช มนุษย์หรือสัตว์อื่นๆ โดยไม่กระตุ้นการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของเราตลอดเวลา” โจนาธาน คอนเวย์ ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและชีวภาพ ผู้เขียนงานวิจัยอาวุโส กล่าว
เพื่อค้นหาแบคทีเรียที่ปรับสมดุลภูมิคุ้มกัน ทีมวิจัยจึงดัดแปลงพันธุกรรมพืชให้มีการตอบสนองภูมิคุ้มกันต่อโปรตีน ที่ประกอบเป็นส่วนคล้ายเส้นด้ายที่เรียกว่า “แฟลกเจลลา” (flagella) ซึ่งช่วยให้แบคทีเรียสามารถว่ายน้ำได้ โดยโปรตีนที่ประกอบเป็นแฟลกเจลลาที่เรียกว่า “แฟลกเจลลิน” (flagellin) เป็นตัวกระตุ้นการตอบสนองภูมิคุ้มกันที่มีประสิทธิภาพในพืชและมนุษย์
นักวิจัยปลูกต้นกล้าอะราบิดอพซิส (Arabidopsis) พืชขนาดเล็กในวงศ์มัสตาร์ดที่มักใช้ในการวิจัยพืช ที่ถูกดัดแปลงพันธุกรรมให้ผลิตตัวรับภูมิคุ้มกันที่รับรู้แฟกเจลลินในระดับสูงในราก เมื่อปลูกบนจานที่มีชิ้นส่วนของแฟกเจลลิน รากของต้นกล้าจะอ้วนสั้น เนื่องจากพลังงานของต้นกล้าไปใช้กับการสร้างภูมิคุ้มกันมากกว่าการเจริญเติบโต
การทดลองนี้พบว่ามีแบคทีเรีย 165 สายพันธุ์ ที่อยู่ในรากของอะราบิดอพซิส โดยมีแบคทีเรีย 68 สายพันธุ์หรือคิดเป็น 41% สามารถกดภูมิคุ้มกันของพืชและปล่อยให้รากของพืชเติบโตได้นานขึ้น โดย Dyella japonica เป็นแบคทีเรียสายพันธุ์หนึ่งที่ช่วยให้รากเจริญเติบโตได้ดีที่สุด
จากงานวิจัยก่อนหน้านี้พบว่า กิจกรรมปรับภูมิคุ้มกันของพืชชนิดนี้ขึ้นอยู่กับระบบการหลั่งโปรตีนเชิงซ้อนของแบคทีเรีย ที่สามารถเคลื่อนย้ายสารออกจากเซลล์แบคทีเรียและออกสู่สิ่งแวดล้อม รวมถึงภายในเซลล์พืชหรือช่องว่างระหว่างเซลล์พืช
จีโนมของ D. japonica เผยให้เห็นยีนที่เข้ารหัสเอนไซม์ที่หลั่งออกมาที่เรียกว่า “ซับทิเลส” ซึ่งสามารถสับแฟกเจลลินให้เป็นชิ้นเล็กๆ และป้องกันไม่ให้เกิดการกระตุ้นการตอบสนองของภูมิคุ้มกัน
ทีมวิจัยใช้ทั้งวิธีการทางพันธุกรรมและทางชีวเคมีเพื่อแสดงให้เห็นว่า เอนไซม์ซับทิเลสสามารถย่อยสลายแฟกเจลลินในส่วนที่กระตุ้นการตอบสนองของภูมิคุ้มกันได้จริง การสลายตัวนั้นเพียงพอที่จะระงับการตอบสนองของภูมิคุ้มกันและทำให้ต้นอะราบิดอพซิสเติบโตได้มากขึ้น
อย่างไรก็ตาม การทำให้เอนไซม์ซับทิเลสบริสุทธิ์ยังเป็นเรื่องที่ทำได้ยากในปัจจุบัน ซามูเอล อีสต์แมน นักวิจัยหลังปริญญาเอกและผู้เขียนร่วมคนแรก ได้ติดต่อพูดคุยกับท็อดด์ นาอูมันน์ นักเคมีของกระทรวงเกษตรสหรัฐ ผู้เสนอให้ทำให้เอนไซม์บริสุทธิ์โดยใช้เซลล์ยีสต์แทนแบคทีเรีย ซึ่งจะสามารถทำให้เอนไซม์บริสุทธิ์และส่งไปที่พรินซ์ตันภายในไม่กี่เดือน
“ตอนนี้เราสามารถทดลองกับมันได้และเราสามารถดูสิ่งนี้ในหลอดทดลองได้จริง” อีสต์แมนอธิบาย ความร่วมมือนี้ทำให้ทีมสามารถทำการศึกษาหน้าที่ของเอนไซม์ได้อย่างละเอียดมากขึ้น
นอกเหนือจากการศึกษาเอนไซม์ซับทิเลสใน D. japonica แล้ว นักวิจัยยังพบยีนที่คล้ายกันในแบคทีเรียที่อยู่ในดินอีกหลายชนิด การทดสอบแสดงให้เห็นว่าแบคทีเรียที่แยกได้หลายสิบชนิดสามารถยับยั้งภูมิคุ้มกันที่เกิดจากแฟลเจลลินในพืชได้ ดังนั้นกลไกนี้อาจแพร่หลายในไมโครไบโอมของพืช
ขณะนี้ทีมงานกำลังศึกษาว่า เหตุใดเอนไซม์นี้จึงอาจเป็นประโยชน์ต่อทั้งพืชและแบคทีเรีย สมมติฐานหนึ่งก็คือ แฟลเจลลาที่ทำให้เกิดโรคที่ย่อยสลายได้จะลดความสามารถของแบคทีเรียที่เป็นอันตรายต่อรากพืช
ดังนั้นแฟลเจลลาจึงสามารถยับยั้งเชื้อโรคได้เช่นเดียวกับระบบภูมิคุ้มกันของพืช หรืออีกทางหนึ่งเอนไซม์อาจช่วยให้แบคทีเรียบางชนิดสามารถหลบหลีกกลไกการป้องกันของพืชได้ ซึ่งอาจทำให้พืชเสี่ยงต่อโรคมากขึ้น ความเป็นไปได้สองประการนี้ทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับการนำผลการค้นพบเหล่านี้ไปใช้ในภาคเกษตรกรรม
“เราไม่อยากให้ระบบภูมิคุ้มกันเสียหาย แต่เราก็ต้องการให้พืชเก็บการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันนี้ไว้ใช้เมื่อจำเป็น” อีสต์แมนเน้นย้ำ
เป้าหมายสูงสุดคือการช่วยให้พืชสงบนิ่งและเติบโตต่อไป ดังนั้น จึงจำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจให้ดีขึ้นว่าเอนไซม์เหล่านี้สามารถใช้ประโยชน์ได้อย่างไรในสภาพแวดล้อมทางการเกษตรโดยไม่ทำให้พืชอ่อนแอต่อเชื้อโรค
การวิจัยนี้การอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์ในดินและภูมิคุ้มกันของพืชและเสนอแนวทางที่มีแนวโน้มดีสำหรับการปรับให้การเจริญเติบโตของพืชเหมาะสมที่สุดในขณะที่ยังคงต้านทานโรคได้
งานนี้ถือเป็นก้าวสำคัญในการเปิดเผยพลวัตที่ซับซ้อนระหว่างพืชอาศัยและไมโครไบโอมของพืช และให้ความกระจ่างเกี่ยวกับวิธีการใช้ประโยชน์จากปฏิสัมพันธ์เหล่านี้เพื่อสนับสนุนการเกษตรที่ยั่งยืน