Terve villityypin Arabidopsis-kasvi (vasemmalla) ja mutanttikasvi, joka kärsii mikrobien epätasapainosta (oikealla). Sheng-Yang Hän, CC BY-SA

Monet meistä ovat kuulleet tulehduksellinen suolistosairaus, heikentävä tila, joka liittyy epänormaaliin mikrobikokoelmaan ihmisen suolistossa - joka tunnetaan nimellä suolen mikrobiomi. Minun laboratorio äskettäin havaittiin, että kasvit, kuten ihmiset, voivat myös kehittää tämän dysbioosiksi kutsutun tilan, jolla on vakavia seurauksia.

Osana Tässä tutkimuksessa, kollegani ja minä huomasimme, että jotkut geenit ja prosessit, jotka osallistuvat kasvien dysbioosin hallintaan, voivat olla samanlaisia ​​kuin ihmisillä. Dysbioosin löytäminen kasvikuntaan avaa uusia mahdollisuuksia kannustaa kasvinterveyden ja maailmanlaajuisen elintarviketurvan innovaatioihin.

Olen kasvien mikrobiologi kiinnostunut siitä, miten kasvit ja mikrobit ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Vaikka aikaisempi tutkimuksemme on keskittynyt patogeenisten infektioiden molekyylitiedot, tämä työ johti laboratorioni kiehtovaan kasvien mikrobiomien maailmaan.

Onko kasveilla mikrobiomeja?

Kun tiedemiehet sanovat, että ihmisen “suolistobakteerien” tulisi olla tasapainossa, he viittaavat kaikkien ihmisen ruoansulatuskanavassa elävien mikrobien geneettiseen materiaaliin tai suolen mikrobiomiin. Onko kasveilla myös mikrobiomeja? Vastaus on kyllä.

Itse asiassa kasvin osat, jotka kasvavat maanpinnalla, joita kutsutaan phyllosphereiksi, ja ne osat, jotka kasvavat alapuolella, kutsutaan rizosfääriksi, tarjoavat yhden suurimmista mikrobien kolonisaation elinympäristöistä maapallolla. Molemmat ovat elintärkeitä ihmisen elämälle maan päällä.

Fyllosfääri vie hiilidioksidia fotosynteesiin, mikä on välttämätöntä biomassan rakentamiseksi ja on ensisijainen elintarvikkeiden, polttoaineiden, kuitujen ja lääkkeiden lähde. Fotosynteesi vapauttaa myös happea eläinten ja ihmisten hengittämiseen, minkä vuoksi kasveja pidetään usein planeettamme keuhkoina. Risfosfääri puolestaan ​​vie maaperästä vettä ja ravinteita.

Lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet, että kasvien mikrobit auttavat kasveja poimimaan ravinteita maaperästä ja selviytymään kuivuudesta, taudinaiheuttajista, hyönteisistä ja muista stressistä.

Ekologiset tutkimukset ovat myös huomanneet, että mitä enemmän kasvien lehdillä eläviä mikrobeja on, sitä tuottavammin kasvit näyttävät olevan.

Nykyään useimmat kasvitutkijat uskovat, että globaaleissa strategioissa, joilla varmistetaan sadon tuottavuus ja elintarviketurva, on otettava huomioon kasvien mikrobiomi. YK: n elintarvike- ja maatalousjärjestö arvioi sen jopa 40% ruokakasveista häviävät kasvien tuholaisten ja tautien vuoksi vuosittain, ja Yhdistyneiden Kansakuntien yleiskokous julisti vuoden 2020 kansainväliseksi kasvinterveyden vuodeksi.

Jotkut mikrobit liittyvät lehtiin ja versoihin, kun taas toinen erillinen joukko elää juurien joukossa. Sheng-Yang Hän, CC BY-SA

Kuinka kasvit pitävät mikrobioton terveinä?

Ottaen huomioon mikrobiota - kasveilla tai niiden lähellä elävien mikrobien erityinen yhteisö - tärkeys kasvien terveydelle, perustelimme, että kasvien on oltava kehittäneet kehittyneen geneettisen verkoston oikean mikrobiseoksen valitsemiseksi.

Jos tämä on totta, niin tietäen, mitkä kasvigeenit vaikuttavat kasvia ympäröiviin mikrobityyppeihin, voitaisiin ohjata tulevaa tutkimusta optimoimaan kasvien mikrobiomit auttamaan kasveja kasvamaan paremmin, vahvemmiksi ja tuottamaan enemmän biomassaa ja satoa.

Itse asiassa ryhmäni on nyt tunnistanut joitain näistä "mikrobiota kontrolloivista" geeneistä mallilaitoksessa Arabidopsis thaliana.

Huomasimme, että useita geenejä kasvien immuniteetti ja vesitasapaino ovat kriittisiä terveellisen mikrobiotan valinnassa ja ylläpitämisessä Arabidopsis kasvien lehdet.

Kun poistimme nämä tunnistetut geenit kasveista, Arabidopsis kasvimutantit eivät voineet isännöidä oikeaa mikrobiseosta, ja niissä esiintyi dysbioosin oireita, mukaan lukien kuolleet tai kellastuvat lehdet. Sikäli kuin tiedämme, tämä oli ensimmäistä kertaa dysbioosin kielteiset vaikutukset on dokumentoitu kausaalisesti kasvien valtakunnassa.

[Sinun on ymmärrettävä koronaviruspandemia, ja voimme auttaa. Lue keskustelun uutiskirje.]

Mielenkiintoisia piirteitä 'sairaista' kasveista

Kollegani ja minä havaitsimme joitain merkittäviä dysbioosin ominaisuuksia mutantissamme Arabidopsis kasveja.

Ensinnäkin dysbioosimutanteilla on yleensä epätavallisen korkea mikrobitaso lehtien sisällä.

Terveestä Arabidopsis-kasvista peräisin oleva lehti (vasemmalla) ja lehti dysbioosimutanttikasvista (oikealla). Sheng-Yang Hän, CC BY-SA

Toiseksi mikrobien monimuotoisuudessa tapahtuu dramaattinen muutos. Esimerkiksi normaalissa tilassa Arabidopsis kasvien lehdet, lehden sisällä elää kaikenlaisia ​​bakteereja. Sitä vastoin bakteerien yleinen monimuotoisuus vähenee huomattavasti dysbioottisissa mutanteissa, mikä viittaa siihen, että terveet kasvit edistävät mikrobien monimuotoisuutta, oletettavasti kasvien terveydelle koituvien hyötyjen lisäämiseksi.

Kolmanneksi, kun taas bakteerit, jotka kuuluvat perheeseen Fermicutes on runsaasti villityypin sisällä Arabidopsis lehtiä, niiden geneettisissä mutanteissa runsaus vähenee merkittävästi. Lisäksi havaitsimme dramaattisen lisääntymisen haitallisten bakteerien määrässä dysbioosimutanttilehdissä. Mielestämme on mielenkiintoista, että joitain näistä mikrobiota-muutoksista havaitaan myös tulehduksellisissa suolistosairauksissa ihmispotilailla, mikä viittaa käsitteellisiin rinnakkaisuuksiin dysbioosin kehittymisessä ihmisillä ja kasveilla.

Mitä seuraavaksi?

Olemme innoissamme tunnistamastamme useita kasvigeenejä ja prosesseja, jotka liittyvät dysbioosin estämiseen. Mikrobiota kontrolloivat geenit, jotka tunnistimme Arabidopsis löytyy monien muiden kasvien genomeista, mikä viittaa siihen, että havainnoillamme voi olla laaja sovellettavuus.

Tulevaisuudessa voimme kokeilla näiden isäntägeenien vaihtamista, mikä voi johtaa mikrobiota-pohjaisiin lähestymistapoihin, jotka parantavat kasvien terveyttä. Esimerkiksi geenien muokkaustekniikoita voitaisiin käyttää terveellisen biomin luomiseen kasvin lehdissä parantamalla spesifisten geenien ilmentymistä. Synteettinen terve mikrobiomi voidaan formuloida probiootiksi kasvien dysbioosin estämiseksi, aivan kuten probioottien on luvattu parantavan ihmisen suoliston mikrobiomien terveyttä.

On huomattava, että ihmisen immuunijärjestelmään liittyvät geenimutaatiot ovat hyvin tunnettuja tulehduksellisen suolistosairauden kehittymisen riskitekijä ihmisillä. Ehkä tulevassa tutkimuksessa löydetään enemmän yhteisiä piirteitä siitä, miten kasvit ja ihmiset ovat vuorovaikutuksessa mikrobistonsa kanssa sairauksien estämiseksi.

Kasvien, kuten Arabidopsis, geneettisten tutkimusten helppous tarjoaa myös mahdollisuuden, että tutkijat pystyvät tunnistamaan enemmän geenejä, jotka liittyvät mikrobiota-terveyden säilyttämiseen ihmisissä ja kasveissa.

kirjailijasta

Sheng-Yang Hän, yliopiston arvostettu professori, HHMI-tutkija, Michigan State University

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.

ta