De la pénétration des bactéries pathogènes comme Salmonella dans les plantes

Des chercheurs de l'Université du Delaware examinent comment certaines bactéries parviennent à contourner les défenses immunitaires des plantes. Source article de l’Université du Delaware (UD).

Alors que le monde lutte contre la pandémie de coronavirus (COVID-19), qui est apparue après le passage du virus d'une espèce animale à l'espèce humaine, les chercheurs de l'Université du Delaware apprennent de nouvelles façons dont d'autres agents pathogènes sautent des plantes aux humains.

Des bactéries opportunistes, Salmonella, Listeria et E. coli, par exemple - se fixent souvent sur les légumes crus, la volaille, le bœuf et d'autres aliments pour pénétrer dans un hôte humain, provoquant chaque année des millions de maladies d'origine alimentaire.

Mais des chercheurs de l'Université du Delaware, Harsh Bais et Kali Kniel et leurs collaborateurs ont désormais découvert que des souches sauvages de Salmonella peuvent contourner le système de défense immunitaire d'une plante, pénétrant dans les feuilles de laitue en ouvrant les minuscules pores respiratoires de la plante appelés stomates.

La plante ne présente aucun symptôme de cette invasion et une fois à l'intérieur de la plante, les agents pathogènes ne peuvent pas simplement être lavés.

Les stomates sont de petites ouvertures en forme de rein sur les feuilles qui s'ouvrent et se ferment naturellement et sont régulées par le rythme circadien. Ils s'ouvrent pour permettre à la plante de se refroidir et de respirer. Ils ferment lorsqu'ils détectent des menaces de sécheresse ou de pathogènes bactériens végétaux.

Certains agents pathogènes peuvent faire irruption dans un stomate fermé en utilisant la force brute, a déclaré Bais. Les champignons peuvent le faire, par exemple. Les bactéries n'ont pas les enzymes nécessaires pour le faire, elles recherchent donc des ouvertures - dans les racines ou à travers les stomates, a-t-il déclaré.

Les agents pathogènes bactériens des plantes ont trouvé un moyen de rouvrir ces stomates fermés et d'accéder au fonctionnement interne de la plante, a déclaré Bais.

Mais désormais, dans une étude publiée dans Frontiers in Microbiology, Bais et Kniel ont montré que certaines souches pathogènes chez l’homme de Salmonella ont également développé un moyen de rouvrir les stomates fermés.

« Ce qui est nouveau, c'est la façon dont les bactéries non hôtes évoluent pour contourner la réponse immunitaire des plantes », a déclaré Bais. «Ce sont de vrais opportunistes. Ce sont des royaumes qui sautent absolument… Quand nous voyons ces interactions inhabituelles, c'est là que ça commence à devenir complexe.»

Des opportunités pour les pathogènes se présentent lorsque les plantes sont sélectionnées pour augmenter le rendement, souvent au détriment de leurs propres systèmes de défense. D'autres possibilités se présentent lorsqu'un cultivateur plante des cultures des basses terres trop près d'un d'élevage, ce qui facilite la contamination.

Ensemble et séparément, Bais et Kniel et leurs collaborateurs examinent ce problème des plantes sous plusieurs angles depuis environ cinq ans.

Ils étudient les méthodes du «cheval de Troie» des bactéries telles que Salmonella utilise pour échapper au système immunitaire des plantes et trouver leur chemin vers de nouveaux hôtes humains.

Ils étudient un assortiment de méthodes d'irrigation qui peuvent transporter des bactéries des cours d'eau, des étangs et de l'eau récupérée à la surface et aux systèmes racinaires des plantes.

Ils étudient des composants génétiques qui permettent aux agents pathogènes de persister et de survivre le long de leur passage vers un nouvel hôte.

Bais et Kniel ont publié plusieurs articles sur ces menaces pour l'approvisionnement alimentaire mondial et ont élaboré des recommandations pour accroître les défenses des plantes.

L’équipe de Bais, par exemple, a développé et breveté un micro-organisme bénéfique - UD1022 - pour protéger et renforcer les systèmes racinaires des plantes. Ce microbe a été licencie chez BASF et est incorporé dans une variété croissante d'applications. Les tests effectués dans le cadre de leur nouvelle publication ont montré que les racines inoculées avec UD1022 - par arrosage et irrigation - pouvaient fournir une protection contre ces bactéries opportunistes.

Kniel a dit qu'elle était surprise de voir que l'UD1022 empêchait certains mutants d'entrer dans la plante.

«Il y a beaucoup d'espoir pour les biocontrôles», a-t-elle dit.

L'équipe de Kniel et ses collaborateurs du ministère américain de l'agriculture et de plusieurs autres universités de la région du centre de l'Atlantique ont récemment publié de nouveaux résultats dans PLOS One analysant le contenu pathogène des méthodes d'irrigation qui puisent dans les cours d'eau, les étangs et l'eau récupérée.

Ce sont des périls avant récolte. Les dangers après récolte proviennent davantage des pratiques d'hygiène des employés sur les bandes transporteuses qui acheminent ces produits vers le marché.

De nombreuses entreprises utilisent des légumes verts à feuilles dans de l'eau traitée avec des désinfectants appropriés et peuvent envisager des traitements à l'ozone ou aux ultraviolets pour lutter contre les bactéries de surface. Ils ne peuvent ni voir, ni traiter les agents pathogènes humains qui sont déjà entrés dans la feuille.

« L'industrie alimentaire travaille sans relâche pour rendre le produit aussi sûr que possible », a dit Kniel. « Mais même dans ce cas, nous cultivons ces produits à l'extérieur, donc ils sont accessibles à la faune, au vent, à la poussière et à l'eau qui peuvent transmettre des micro-organismes. C'est une situation difficile. »

Nicholas Johnson, un étudiant diplômé du laboratoire de Bais, a effectué un travail minutieux pour examiner comment les stomates sur des épinards et de la laitue ont répondu aux sollicitations de Salmonella, Listeria et E. coli - trois agents pathogènes humains qui ne laissent aucune empreinte digitale apparente, aucun moyen de voir qu'ils ont infecté une plante. Il a enregistré la taille de l’aperture ou ouverture des stomates pour des centaines de stomates sur chaque échantillon de feuille.

Il a compté ces tailles toutes les trois heures après l'application de bactéries.

« Il était derrière un microscope à compter les tailles d'ouverture », a déclaré Bais. « Et cela doit être méticuleux. »

Il a trouvé des résultats troublants. La souche de Salmonella rouvrait les stomates.

« Nous avons maintenant un agent pathogène humain qui essaie de faire ce que font les agents pathogènes des plantes », a déclaré Bais. « Ça c'est effrayant. »

Ce serait particulièrement effrayant, a déclaré Bais, si cela devait se produire dans une ferme «verticale», où les plantes sont cultivées en rangées verticales en culture hydroponique.

« Ce sont des systèmes merveilleux », a déclaré Kniel. « Mais il faut beaucoup de soins au sein du système pour contrôler l'eau et les interactions avec les personnes. Il doit y avoir beaucoup de lavage des mains. Je travaille avec de nombreux producteurs pour m'assurer qu'ils ont des pauses «propres» et qu'ils se désinfectent correctement. Lorsque vous faites cela, vous avez moins de produits à rappeler. »

Mais les dangers sont réels.

« L'industrie travaille dur sur ce sujet », a dit Kniel. «Ils font partie des personnes les plus passionnées et dévouées que j'ai jamais rencontrées. Mais des épidémies se produisent. »

« Et si cela frappe les fermes verticales, ils ne perdent pas un lot », a déclaré Bais. « Ils perdent toute la maison. »

La collaboration a fait appel à un large éventail d'expertises, donnant aux chercheurs un aperçu de nombreux aspects du problème.

« Ce projet [avec Bais] a des souches de Salmonella mutantes et cela nous permet de voir un autre angle du côté de la biologie moléculaire », a dit Kniel. « Les mutations individuelles sont importantes pour la structure des Salmonella et la régulation du stress. Nous pouvons voir la capacité de Salmonella à s'interner dans la plante. Lorsque nous avons utilisé des souches mutantes, nous avons constaté de grandes différences dans la capacité à coloniser et à internaliser - et c'est ce dont les consommateurs entendent beaucoup parler. Vous n'êtes pas en mesure de les laver. »

« Nous pouvons également voir quels gènes ou parties de micro-organisme pourraient être les plus responsables de la persistance sur la plante - la rendant ainsi plus longue et plus forte. C'est tellement important quand on pense aux problèmes de sécurité alimentaire. »

Parmi les autres questions posées par les chercheurs:

• Ces bactéries meurent-elles plus facilement lorsqu'elles sont au soleil?
• Est-ce que beaucoup d'humidité ou l'humidité leur permet de croître?
• Dans quelle mesure interagissent-elles avec la plante?

L'étude de l'eau d'irrigation dans la région médio-atlantique des États-Unis a été réalisée en collaboration avec «Conserve», un centre d'excellence qui comprend des chercheurs du département américain de l'Agriculture et de l'Université du Maryland.

« Nous cherchons d'où les producteurs obtiennent leur eau et ce qu'ils font pour s'assurer qu'elle soit microbioliquement sûre », a-t-elle dit.

Une partie de l'eau est récupérée après avoir été utilisée pour laver d'autres cultures. Certains proviennent des cours d'eau et des étangs. L'équipe a prélevé une série d'échantillons sur une période de deux ans, en analysant Salmonella, la Listeria, E. coli, les virus et les protozoaires.

« L'eau a été montrée dans plusieurs éclosions comme un risque potentiel de contamination », a dit Kniel. « Cet article est important car il identifie les risques des étangs, des rivières et de l'eau récupérée ainsi que les discussions sur ce que les producteurs pourraient faire et comment traiter l'eau. Beaucoup de producteurs sont heureux d'utiliser la technologie tant qu'elle est rentable et fiable et qu'elle peut être utilisée pour des produits frais. »