2.2 Човешки патогени, които могат да инфектират растения

Нашето центристко разбиране за етиологията на човешките заболявания често води до радикални хипотези, че човешките патогенни бактерии са свързани само с един източник – човека. Видове от родовете Salmonella, Serratia, Enterobacter и Enterococcus се смятат  за проблемни човешки патогени, които са често срещани във вътреболнична среда, причиняват хранителни отравяния, общи инфекции и сепсис. Има и други бактериални видове, които причиняват кожни заболявания, рани и инфекции на пикочните пътища (напр. B. cereus, Proteus vulgaris) и могат да бъдат изолирани като основни компоненти на ризосферната среда.

Редица бактериални човешки патогенни са способни да колонизират и да причиняват заболяване в голям брой растителни източници. Те най-често навлизат в кореновата тъкан в местата на латерално поникване на корена и се развиват в растителните тъкани. Възможността за поява на човешки патогенни бактерии в ризосферата се благоприятства от няколко фактора: високо хранително съдържание, защита от ултравиолетова радиация, наличие на водни филми за диспергиране и за предотвратяване на изсушаване. Според някои автори проникването на човешките патогени се контролира от изобилието от изключително разнообразни местни ризосферни микробни общности, които осигуряват бариера срещу нахлуването на човешките патогени. Например растежът на S. enterica и E. coli O157:H7 върху корените на Arabidopsis thaliana силно се инхибира от ризосферните щамове на Enterobacter asburiae. Въпреки това много от човешките патогенни бактерии могат да бъдат силно конкурентни за хранителни вещества и да произвеждат различни антимикробни метаболити, които им позволяват да колонизират и пролиферират върху растителните повърхности в присъствието на автохтонните микробни общности. Интересното е, че механизмите, включени в ризосферната колонизация и антимикробната активност на човешки патогенни бактерии, изглеждат подобни на механизмите, участващи при вирулентността и колонизацията на човешките тъкани.

2.2.1. Salmonella

Този род се състои от два вида – Salmonella enterica и Salmonella bongori. S. enterica, подразделена на стотици серотипове, е причинител на много заболявания при човека, животните и птиците по цял свят, включително гастроентерит и коремен тиф. Тя е патогенът, който най-често се открива при инфекции, свързани с консумацията на плодове и зеленчуци. Въпреки своята ясна адаптация към оцеляване в човешки гостоприемници Salmonella може да бъде открита в ризосферната микробиота на няколко културни растения. Дълго време се е предполагало, че Salmonella може да оцелее върху растенията след повече или по-малко инцидентна инфекция, но тази хипотеза наскоро бе оспорена. Salmonella бактериите са в състояние да се задържат в почвата. Изследвания върху нативни Conzattia multiflora, бобово дървовидно растение, характерно за Мексико, разкриха съществуването на фигопатогенни линии Salmonella, изолирани от нодулиращите му структури. S. enterica ssp.,  enterica серотип Typhimurium (S. typhimurium), е изолирана от ризосферата на няколко културни растения като пшеница (Triticum sativum), маслодайна рапица (Brassica napus) и ягоди (Fragaria ananassa). Оказва се, че микробната концентрация на S. enterica в ризосферата на диви домати (Solanum pimpinellifolium) е по-ниска, отколкото при домашни сортове домати (Solanum lycopersicum).

Освен почвата друг път за инфекция може да бъде водата, която е била в контакт с човешки или животински отпадъци. Замърсената вода е добре познат път за разпространение на множество патогени, включително Salmonella.  Бактериите могат да се движат в цялата водоснабдителна система и впоследствие достигат нивите, където замърсената вода се използва за напояване. Оказва се, че популацията на S. enterica във филосферата на доматени растения, напоявани със замърсена вода, е количествено по-голяма, отколкото при растения, отгледани от семена в предварително заразена почва.

Инфекцията на растенията със Salmonella може да се получи и с помощта на други организми. Коинокулирането на нематода Caenorhabditis elegans и Salmonella Newport при марули, ягоди или моркови завършва с растителна инфекция. Интересно е, че растителните тъкани не се заразяват с патогена при неговото инокулиране в отсъствието на нематода. Това е още един интересен пример за парадигмата при патогените – много често проявата на инфекциозност изисква наличие на специфични фактори, които в дадения случай се доставят от нематода. Salmonella може да се транспортира и чрез насекоми, напр. от мравката фараон (Monomorium pharaonis), която, придвижвайки се от закрити съоръжения към околната среда, влиза в контакт с набор от възможни гостоприемници, включително с растения. Взаимодействието между Salmonella и арбускуларна микоризална гъба (AMF) придава по-висока устойчивост и вирулентност на патогенната бактерия спрямо растенията, ако те са колонизирани от AMF. Това показва още един слой на взаимодействия в ризосферата.

Податливостта на заразяване със S. enterica направо от почвата е различна при различните видове земеделски култури. В растенията от семейство Кръстоцветни (Brassicaceae) салмонелите формират количествено по-големи бактериални популации, отколкото при доматите и марулите. Въпреки това е доказано, че марулите имат филосфера с по-високи нива на замърсяване, което предполага, че има други пътища на замърсяване, като например водата за напояване, която също „ефективно” провежда патогена.

При поникването на семената (например на люцерната) се разрушава ендосперма и се синтезират различни ензими, които довеждат до освобождаването на редуциращи захари и други органични молекули, които преминават във водата за напояване. В резултат на тези процеси се получава подходяща среда за растеж и размножаване на S. enterica. Бактериите метаболизират тези молекули като източник на хранителни вещества и това прави растителните ексудати подходящ хранителен източник. Високите скорости на размножаване на някои щамове салмонела в ефлукса на покълнали семена предполагат наличието на сапрофитен растеж. Други растителни патогенни бактерии също могат да допринесат за развитие на инфекцията със салмонела. Пектинолитичните бактериални патогени, които причиняват меко гниене и по този начин имобилизират хранителните вещества, много често се асоциират с инфекция на плодове и зеленчуци от S. enterica. Салмонелите не само са в състояние да колонизират филосферата, но като инфектират растението, причиняват смърт на растителни органи. Заразяването със Salmonella в Arabidopsis чрез издънки или кореноплодни тъкани води до хлороза, увяхване и евентуална смърт на заразените тъкани в рамките на седем дни.

2.2.2. Escherichia coli

Escherichia coli е бактерия, която обикновено се намира в стомашно-чревния тракт на хора и топлокръвни животни. Поради широкото ѝ разпространение в червата E. coli се използва като показател за откриване и измерване на фекално замърсяване при оценката на безопасността на храните и водата. Смятани за безвредни коменсали, щамовете E.coli представляват около 1 % от микробната популация на нормалната чревна популация. Повечето от щамовете в червата са полезни за функционирането на стомашно-чревния тракт на човека, но има и такива, които са вредни. Патогенните щамове E.coli се отличават от останалите по своята способност да причиняват сериозни заболявания в резултат от експресията на генетичните им елементи за производство на токсини, адхезия и инвазия в клетките на гостоприемника, намеса в клетъчния метаболизъм и разрушаване на тъканите. За да се разпространят от един гостоприемник към друг, тези бактерии трябва да излязат в околната среда. Щамовете на E. coli може да оцелеят в продължение на няколко седмици извън гостоприемника и дори да се развиват и размножават във водата или почвата. Има риск, когато растителната среда се е превърнала в гостоприемник, който E. coli колонизира. Въпреки че повечето видове E. coli са безвредни, наличието на патогенни щамове върху плодовете и зеленчуците представлява риск за безопасността на храните. Все по-често се идентифицират огнища, свързани с инфекции от E. coli O157, след консумацията на зеленолистни зеленчуци. Няколко клона на E. coli са придобили острови на патогенност чрез хоризонтален пренос на гени, които им позволяват да причиняват инфекции на пикочните пътища и диарии. Диаричните щамове E. coli са разделени в шест категории и могат да причинят различни заболявания – от умерена до тежка диария и системни заболявания (например хемолитично-уремичен синдром).

Шига токсин продуциращи щамове E. coli

Шига токсин продуциращата бактерия E. coli (STEC) е зоонозен патоген, колонизиращ основно говеда и дребни преживни животни. Макар продуктите от говеждо месо да са сред най-често признаваните източници на инфекции с E. coli O157, плодовете и зеленчуците, които се консумират сурови, също са важен източник. Описани са три механизма за прикрепване на E. coli O157 към растителните листа. На първо място, за разлика от непатогенните E. coli, патогенният щам O157 STEC:H7 адхерира твърдо към обвивката на доматите, листата на спанака и корените на люцерната. Адхезия към тези повърхности се медиира от пилите, разположени по повърхността на бактериалната клетка. Адхезията на E. coli O157, както и ентеропатогенните щамове EPEC се осъществява върху листата на различни видове салати посредством система за секреция от филаментозен тип (T3SS). Секреционната система на E. coli O157 е предназначена да инжектира ефекторни протеини в клетки на бозайници. Транслокацията на тези протеини се медиира от АТФ-аза и зависи от конфигурацията на порите в плазмената мембрана. Перитрихалните камшичета на E. coli O157 също имат важно значение за прикрепването на бактерията към листната маса. Всички тези данни показват, че E. coli O157 притежава множество механизми за колонизиране на растенията, които са добре адаптирани към тази биосфера. Подобно на Salmonella, E. coli O157 също може да проникне във вътрешните порести мезофилни кухини на растенията и да оцелее в тази среда.

Ентероагрегативни щамове E. coli и ентеротоксигенни щамове E. coli

Ентероагрегативните щамове E. coli (EAEC) причиняват тежък бактериален гастроентерит, но естественият им резервоар все още не е установен. Гостоприемници – мишени са най-често децата в ранна възраст и пътуващите хора, както и някои домашни животни като телета и прасета. За изучаване на разпространението на E. coli (EAEC) листата на маруля са инкубирани за 1 час с определено количество от патогена и са наблюдавани следните две входни врати и пътя на инвазия: (I) дифузна адхезия на патогена към епидермиса на листата на марулята, и (II) локализирана адхезия към повърхностните клетки на устицата. Свързването към епидермиса се медиира от пилус, за който е известно, че играе важна роля в колонизацията на човешките черва, докато агрегацията около устицата се медиира от камшичета. Предполага се, че камшичетата са основните посредници при адхезията на щамовете ETEC върху епидермиса на листа от маруля.

2.2.3. Serratia marcescens

Представителите на род Serratia предизвикват значими инфекции при хора, животни и насекоми. Таксономичната характеристика на рода е доста противоречива, като до момента има 14 признати видове, с по 2 подвида. Типовият вид на рода, Serratia marcescens, е човешки патоген, който често се среща в дихателните и пикочните пътища на хората и е отговорен за приблизително 1,4 % от вътреболничните инфекции, които могат да бъдат животозастрашаващи. Щамовете на околната среда S. marcescens често са червени поради продукцията на продигиозин, а щамовете, свързани с болничните огнища, са предимно непигментирани. Много S. marcescens щамове са устойчиви на няколко антибиотика, поради което тази бактерия представлява все по-голям проблем за общественото здраве. Въпреки това относително малко се знае за факторите, които допринасят за патогенезата на S. marcescens към нейния гостоприемник.

Въпреки своите животински вирулентни фактори S. marcescens може да се разглежда и като широко разпространен фитопатоген. Този вид е признат като клетъчно тъканен резидентен, който причинява заболяване по тиквите (Cucurbita pepo и Cucurbita moschata) и динята, което се характеризира с увяхване, обезцветяване на флоема и пожълтяване на листата. S. marcescens образува биофилм по стените на флоема, блокира транспорта на хранителни вещества, в резултат на което растението увяхва и умира.

2.2.4. Enterobacter cloacae

Друга бактерия, която показа също кръстосана патогенеза, е Enterobacter cloacae, важен вътреболничен патоген, отговорен за бактеремия, инфекции на долните дихателни пътища, инфекции на кожата и меките тъкани, както и инфекции на пикочните пътища. E. cloacae синтезира шига подобен цитотоксин II, който е свързан с хемолитично-уремичен синдром при бебета. Въпреки че има доказателства, че E. cloacae еволюира, за да колонизира човешкия гостоприемник, той също е идентифициран като причинител на болестта „сиво ядро“ при макадамията (Macadamia integrifolia). Началото на болестта засяга не само качеството на ядките, произведени от дървото, но води до сиво оцветяване и лоша миризма. E. cloacae причинява и бактериално меко гниене при драконовите плодове (Hylocereus spp.), бактериално гниене на листата на орхидеите (Odontioda orchids), а също така е отговорен за вътрешното пожълтяване на папаята и гниенето на лука.

Enterobacter причинява кафяво гниене в главите на лука, след като реколтата е прибирана, изсушена и складирана. Следите от разлагането обикновено се появяват по някои люспи на луковицата, докато в тъканта се развиват кафяви на цвят кръгове, които ясно се виждат при нарязване на главата лук наполовина. При съхранение на големи количества лук, при които честотата на гниене, причинено от Enterobacter, е > 2,5 %, цялата партида не може да се продава и производителят има значителни загуби.

Вирулентните фактори и механизмите на E. cloacae за предизвикване на заболявания по растенията са все още неизвестни, което затруднява и ограничава разработването на методи за контрол на този фитопатоген.

2.2.5. Enterococcus

Кръстосаната патогенеза не се ограничава само до Грам-отрицателните бактерии, тя може да бъде открита и при Грам-положителните. Ентерококите са част от нормалната чревна флора на хора и животни, но също така са важни опортюнистични патогени, отговорни за сериозни инфекции, особено при имунокомпрометирани пациенти. С увеличаване на резистентността към антибиотици ентерококите се оказват нозокомиални патогени, които могат да бъдат трудни за лечение. Родът Enterococcus включва над 17 вида, но само няколко могат да предизвикат локални или системни клинични инфекции на пикочните пътища, включително коремни инфекции, раневи инфекции, бактериемия и ендокардит. Като цяло групата на ентерококите се отнася към гама-подгрупата на стрептококите, които не предизвикват хемолиза. Клиничните изолати на множество видове ентерококи обаче са развили като фактор на патогенност способността да произвеждат хемолизини, които лизират червени кръвни клетки. Хемолитичните щамове проявяват множествена лекарствена резистентност по-често, отколкото нехемолитични щамове, докато щамове, изолирани от фекални проби от здрави индивиди, показват ниска (17 %) честота на производство на хемолизини.

Оказва се, че ентерококите са способни не само да инфектират клетки от бозайници и нематоди, но също и растения като Arabidopsis thaliana. При заразяване в лабораторни условия с E. faecalis смъртта на растението настъпва след около седем дни. Първоначалните признаци на заболяването се появяват веднага щом бактерията успешно се прикрепи към повърхността на листата, след това E. faecalis навлиза в листната тъкан чрез устицата или чрез рани, размножава се и колонизира междуклетъчните пространства на растението гостоприемник. Тези процеси причиняват прекъсване на стената на растителната клетка и мембранните структури и довеждат до гниене на растението. Изглежда, че фитопатогеността на E. faecalis включва някои от същите генетични фактори, участващи в патогенезата при животните, включително системата на кворум-сенсинг и синтезата на серинови протеази. E. faecalis използва обща стратегия за причиняване на заболявания, което му позволява да използва едни и същи вирулентни фактори за два различни гостоприемника.

2.2.6. Listeria monocytogenes

L. monocytogenes е човешки патоген, за който се смята, че се предава на хората чрез консумация на замърсени хранителни продукти от животински произход. Тя предизвиква сериозни заболявания като листериоза, които протичат летално при малки деца, бременни жени и възрастни хора. Естественият хабитат на тази бактерия са почвите, богати на разлагаща се растителна маса. Следователно тя може естествено да се прикрепи към всеки растителен продукт, който се отглежда в контакт с почвата, и да се интернализира в нето. Това превръща листерията в една от най-опасните замърсители на храни от растителен произход. Необичайно за човешки патоген L. monocytogenes използва растителните захари за своя растеж и по този начин се превръща в сериозен проблем при консумация на минимално преработени плодове или зеленчуци. Когато зеленчуците или плодовете са нарязани, се освобождава по-голямо количество захари, които бактерията усвоява успешно. Психрофилната природа на листерията благоприятства развитието ѝ при ниски температури, каквито обикновено се използват за съхранение на растителните храни в складовете.

Listeria в растителните тъкани. Все още няма доказателства дали L. monocytogenes може да се интернализира във вътрешността на растенията. Информацията за проникването и колонизацията на L. monocytogenes в растителните тъкани е много ограничена и някои от резултатите са противоречиви. Доказано е, че подобно на E. coli, листерията може да влезе в устицата на листата, но дали това е активен процес, или пасивно заклещване на бактерии в структурата (която е много по-голяма от бактериалната клетка), не е ясно. Макар бактериите да могат да проникват, естествените отвори на растенията могат да бъдат защитени от различни дезинфектанти, които предизвикват затваряне на повърхностните клетки. Тъй като организмът се среща често в почвата, навлизането на Listeria в листната тъкан е по-вероятно да се случи след прибиране на реколтата, а не по време на растежа. Плодовите и зеленчуковите култури могат да бъдат замърсени след прибиране на реколтата, когато е налице достатъчно голяма температурна разлика между тази на растенията и тази на използваната за измиване вода. Това дава възможност за по-активно проникване и движение на вода в растителните тъкани. След навлизането си бактериите се транспортират от масовия поток на водата в растението и се движат с нея. Заразяването на растенията може да се осъществи, когато за наторяване се използва заразена оборска тор, какъвто е случаят с инфекциозно огнище през 1981 г. Това е първата епидемия от L. monocytogenes, която категорично е свързана с храна и е причинена от търговски подготвени салати от сурово зеле в Канада. В резултат има най-малко 41 заболели и 7 потвърдени смъртни случая. В този случай е установено, че използваните органични торове при отглеждане на зеле са били инфектирани от овце – преносители на Listeria, което е довело до тежко замърсяване на зелевата листна маса.

Растеж на Listeria в пресни продукти. L. monocytogenes се развива с различна скорост в зависимост от състоянието и вида на пресните продукти (здрави, повредени, нарязани пресни продукти). L. monocytogenes се развива предимно върху повърхността на интактни домати, докато върху моркови, зеле, чушки, пъпеш и диня се развива само в нарязани, настъргани форми или повредена продукция. Listeria расте добре на настъргана маруля, като популацията се увеличава по време на съхранението. Предполага се, че опаковките с модифицирана атмосфера увеличават способността на L. monocytogenes да се развива поради инхибиране на конкурентната микрофлора в растителния продукт. Ефектът зависи от вида на продуктите, състава на модифицираната атмосфера, както и от условията на съхранение. Продължителният срок на годност увеличава риска от листериоза.

Способността на Listeria да оцелее при топлинна обработка и в киселинни условия е различна при различните видове пакетирани зеленчуци. Варената или пастьоризирана продукция обикновено поддържа условия, осигуряващи бърз растеж на листериите. Това може да представлява риск за консуматорите при замърсяване след постобработка, особено ако храната не е била в хладилник и се консумира без термична обработка. В момента се приема, че повечето произвеждани суровини поддържат растежа на L. monocytogenes, което определя този патоген като един от основните фактори за контрол на безопасността на храните.