Zdrowa roślina Arabidopsis typu dzikiego (po lewej) i zmutowana roślina cierpiąca na brak równowagi mikrobów (po prawej). Sheng Yang He, CC BY-SA

Wielu z nas o tym słyszało choroby zapalne jelit, wyniszczający stan, który jest związany z nieprawidłowym gromadzeniem się drobnoustrojów w jelitach człowieka – znanym jako mikrobiom jelitowy. Moje laboratorium Niedawno odkryli, że podobnie jak ludzie, rośliny mogą również rozwinąć ten stan, znany jako dysbioza, z poważnymi konsekwencjami.

W ramach to badanie, moi koledzy i ja odkryliśmy, że niektóre geny i procesy zaangażowane w kontrolowanie dysbiozy u roślin mogą być podobne do tych u ludzi. Odkrycie dysbiozy w królestwie roślin otwiera nowe możliwości stymulowania innowacji w zakresie zdrowia roślin i globalnego bezpieczeństwa żywności.

Jestem mikrobiologiem roślin zainteresowany tym, jak rośliny i drobnoustroje wchodzą ze sobą w interakcje. Chociaż nasze badania w przeszłości koncentrowały się na: szczegóły molekularne patogennych infekcji, ta praca wprowadziła moje laboratorium w fascynujący świat mikrobiomu roślinnego.

Czy rośliny mają mikrobiomy?

Kiedy naukowcy twierdzą, że ludzkie „bakterie jelitowe” powinny być dobrze zrównoważone, mają na myśli materiał genetyczny wszystkich drobnoustrojów żyjących w ludzkim układzie pokarmowym lub mikrobiom jelitowy. Czy rośliny również mają mikrobiomy? Odpowiedź brzmi tak.

W rzeczywistości części rośliny, które rosną nad ziemią, zwane filosferą, i te, które rosną poniżej, zwane ryzosferą, zapewniają jedno z największych siedlisk kolonizacji drobnoustrojów na Ziemi. Oba są niezbędne dla ludzkiego życia na Ziemi.

Filosfera pobiera dwutlenek węgla do fotosyntezy, który jest niezbędny do budowy biomasy i jest podstawowym źródłem pożywienia, paliw, włókien i leków. Fotosynteza uwalnia również tlen do oddychania przez zwierzęta i ludzi, dlatego rośliny są często uważane za płuca naszej planety. Z drugiej strony ryzosfera pobiera wodę i składniki odżywcze z gleby.

Liczne badania wykazali, że drobnoustroje roślinne pomagają roślinom wydobywać składniki odżywcze z gleby i radzić sobie z suszą, patogenami, owadami i innymi stresami.

Badania ekologiczne zauważyli również, że im większa różnorodność drobnoustrojów żyjących na liściach roślin, tym bardziej wydajne wydają się rośliny.

Obecnie większość naukowców zajmujących się roślinami uważa, że ​​globalne strategie mające na celu zapewnienie wydajności upraw i bezpieczeństwa żywnościowego muszą uwzględniać mikrobiom roślin. Organizacja Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa szacuje, że do 40% upraw spożywczych corocznie giną z powodu szkodników i chorób roślin, a Zgromadzenie Ogólne ONZ ogłosiło rok 2020 Międzynarodowym Rokiem Zdrowia Roślin.

Niektóre drobnoustroje są związane z liśćmi i pędami, podczas gdy inne wyraźnie żyją wśród korzeni. Sheng Yang He, CC BY-SA

Jak rośliny dbają o zdrowie mikroflory?

Biorąc pod uwagę znaczenie mikrobioty – specyficznej społeczności drobnoustrojów żyjących na roślinach lub w ich pobliżu – dla zdrowia roślin doszliśmy do wniosku, że rośliny musiały wyewoluować wyrafinowaną sieć genetyczną, aby wybrać odpowiednią mieszankę drobnoustrojów.

Jeśli to prawda, to wiedza o tym, które geny roślin wpływają na rodzaje drobnoustrojów otaczających roślinę, może ukierunkować przyszłe badania nad optymalizacją mikrobiomu roślin, aby pomóc roślinom rosnąć lepiej, mocniej i wytwarzać więcej biomasy i plonów.

Rzeczywiście, moja grupa zidentyfikowała teraz niektóre z tych „kontrolujących mikrobioty” genów w roślinie modelowej Arabidopsis thaliana.

Odkryliśmy, że kilka genów zaangażowane w odporność roślin i równowagę wodną mają kluczowe znaczenie dla wyboru i utrzymania zdrowej mikroflory wewnątrz Arabidopsis liście roślin.

Kiedy usunęliśmy te zidentyfikowane geny z roślin, Arabidopsis mutanty roślin nie były w stanie utrzymać właściwej mieszanki drobnoustrojów i wykazywały objawy dysbiozy, w tym martwe lub żółknące liście. O ile nam wiadomo, to był po raz pierwszy przyczynowo udokumentowano negatywne skutki dysbiozy w królestwie roślin.

[Musisz zrozumieć pandemię koronawirusa, a my możemy pomóc. Przeczytaj biuletyn The Conversation.]

Ciekawe cechy „chorych” roślin

Moi koledzy i ja zaobserwowaliśmy pewne godne uwagi cechy dysbiozy u naszego mutanta Arabidopsis rośliny

Po pierwsze, mutanty dysbiotyczne mają nienormalnie wysoki poziom drobnoustrojów żyjących wewnątrz liści.

Liść ze zdrowej rośliny Arabidopsis (po lewej) i liść ze zmutowanej rośliny dysbiotycznej (po prawej). Sheng Yang He, CC BY-SA

Po drugie, następuje drastyczna zmiana w różnorodności drobnoustrojów. Na przykład w normalnym Arabidopsis liście roślin, wewnątrz liścia żyją wszelkiego rodzaju bakterie. W przeciwieństwie do tego, ogólna różnorodność bakterii jest znacznie zmniejszona w mutantach dysbiotycznych, co sugeruje, że zdrowe rośliny promują różnorodność mikrobiologiczną, przypuszczalnie w celu zwiększenia korzyści dla zdrowia roślin.

Po trzecie, podczas gdy bakterie należące do gromady Fermikuty są obfite wewnątrz typu dzikiego Arabidopsis liści, liczebność naszych mutantów genetycznych jest znacznie zmniejszona. Ponadto zaobserwowaliśmy dramatyczny wzrost liczby szkodliwych bakterii w liściach mutanta dysbiozy. Interesujące jest dla nas, że niektóre z tych zmian w mikroflorze obserwuje się również u ludzi z nieswoistym zapaleniem jelit, co sugeruje koncepcyjne podobieństwa w rozwoju dysbiozy u ludzi i roślin.

Co dalej?

Jesteśmy podekscytowani naszą identyfikacją kilku genów roślinnych i procesów związanych z zapobieganiem dysbiozie. Geny kontrolujące mikrobiotę, które zidentyfikowaliśmy w Arabidopsis znajdują się w genomach wielu innych roślin, co sugeruje, że nasze odkrycia mogą mieć szerokie zastosowanie.

W przyszłości moglibyśmy eksperymentować ze zmianą tych genów gospodarza, co może prowadzić do podejść opartych na mikrobiocie, poprawiających zdrowie roślin. Na przykład technologie edycji genów można wykorzystać do stworzenia zdrowego biomu w liściach roślin poprzez zwiększenie ekspresji określonych genów. Syntetyczny zdrowy mikrobiom może być sformułowany jako probiotyk zapobiegający dysbiozie roślin, m.in obiecano, że probiotyki poprawią zdrowie mikrobiomu jelitowego człowieka.

Warto zauważyć, że mutacje w genach związanych z układem odpornościowym danej osoby są dobrze poznaną czynnik ryzyka rozwoju zapalnej choroby jelit w ludziach. Być może przyszłe badania odkryją więcej wspólnych cech dotyczących interakcji roślin i ludzi z ich odpowiednią mikrobiotą w celu zapobiegania chorobom.

Łatwość badań genetycznych na roślinach, takich jak Arabidopsis, daje również możliwość, że naukowcy będą w stanie zidentyfikować więcej genów zaangażowanych w zachowanie zdrowia mikrobioty u ludzi i roślin.

O autorze

Sheng-Yang He, wybitny profesor uniwersytecki, badacz HHMI, Michigan State University

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

ING