Când plantele și microbii lor nu sunt sincronizați, rezultatele pot fi dezastruoase
O plantă sănătoasă Arabidopsis de tip sălbatic (stânga) și o plantă mutantă care suferă de un dezechilibru microbian (dreapta).
Sheng-yang he, CC BY-SA

Mulți dintre noi am auzit despre inflamatorii intestinale boli, o afecțiune debilitantă care este asociată cu o colecție anormală de microbi din intestinul uman - cunoscut sub numele de microbiom intestinal. Laboratorul meu recent a descoperit că, la fel ca oamenii, plantele pot dezvolta și această afecțiune, cunoscută sub numele de disbioză, cu consecințe grave.

Ca parte a acest studiu, Colegii mei și cu mine am descoperit că unele gene și procese implicate în controlul disbiozei la plante pot fi similare cu cele de la oameni. Descoperirea disbiozei în regatul plantelor deschide noi posibilități pentru stimularea inovației în sănătatea plantelor și a securității alimentare globale.

Sunt microbiolog de plante interesat de modul în care plantele și microbii interacționează între ei. Deși cercetările noastre din trecut s-au concentrat asupra detalii moleculare ale infecțiilor patogene, această lucrare mi-a condus laboratorul în lumea fascinantă a microbiomului plantelor.

Plantele au microbiomi?

Când oamenii de știință spun că „bacteriile intestinale” umane ar trebui să fie bine echilibrate, se referă la materialul genetic al tuturor microbilor care trăiesc în sistemele digestive umane sau la microbiomul intestinal. Plantele au și microbiomi? Raspunsul este da.


innerself abonare grafică


De fapt, părțile plantei care cresc deasupra solului, numite filosferă, și acele părți care cresc mai jos, denumite rizosferă, oferă unul dintre cele mai mari habitate pentru colonizarea microbilor de pe Pământ. Ambele sunt vitale pentru viața umană pe Pământ.

Filosfera preia dioxidul de carbon pentru fotosinteză, care este necesară pentru a construi biomasă și este o sursă primară de alimente, combustibili, fibre și medicamente. Fotosinteza eliberează, de asemenea, oxigen pentru ca animalele și oamenii să respire, motiv pentru care plantele sunt adesea considerate a fi plămânii planetei noastre. Rizosfera, pe de altă parte, preia apă și substanțe nutritive din sol.

Numeroase studii au arătat că microbii vegetali ajută plantele să extragă nutrienți din sol și să facă față secetei, agenților patogeni, insectelor și altor stresuri.

Studii ecologice au observat, de asemenea, că diversitatea mai mare a microbilor care trăiesc pe frunzele plantelor, cu atât plantele par a fi mai productive.

Astăzi, majoritatea oamenilor de știință din plante consideră că strategiile globale pentru a asigura productivitatea culturilor și securitatea alimentară trebuie să ia în considerare microbiomul plantelor. Organizația ONU pentru Alimentație și Agricultură estimează că până la 40% din culturile alimentare se pierd anual din cauza dăunătorilor și a bolilor plantelor, iar Adunarea Generală a Organizației Națiunilor Unite a declarat anul 2020 ca fiind Anul internațional al sănătății plantelor.

Unii microbi sunt asociați cu frunzele și lăstarii, în timp ce un alt set distinct trăiește printre rădăcini.Unii microbi sunt asociați cu frunzele și lăstarii, în timp ce un alt set distinct trăiește printre rădăcini. Sheng-yang he, CC BY-SA

Cum mențin plantele sănătatea microbiotei?

Având în vedere importanța microbiotei - comunitatea specifică a microbilor care trăiesc pe sau în apropierea plantelor - pentru sănătatea plantelor, am considerat că plantele trebuie să fi dezvoltat o rețea genetică sofisticată pentru a selecta amestecul potrivit de microbi.

Dacă acest lucru este adevărat, atunci cunoașterea genelor plantei care influențează tipurile de microbi care înconjoară planta ar putea ghida cercetările viitoare în vederea optimizării microbiomilor plantei pentru a ajuta plantele să crească mai bine, mai puternic și să producă mai multă biomasă și randament.

Într-adevăr, grupul meu a identificat acum unele dintre aceste gene care „controlează microbiota” în planta model Arabidopsis thaliana.

Am constatat că mai multe gene implicate în imunitatea plantelor și echilibrul apei sunt esențiale pentru selectarea și menținerea unei microbiote sănătoase în interior Arabidopsis frunze de plante.

Când am îndepărtat aceste gene identificate din plante, Arabidopsis mutanții de plante nu au putut găzdui amestecul corect de microbi și au prezentat simptome de disbioză, inclusiv frunze moarte sau îngălbenite. Din câte știm, acesta a fost prima dată efectele negative ale disbiozei au fost documentate cauzal în regatul plantelor.

[Trebuie să înțelegeți pandemia de coronavirus și vă putem ajuta. Citiți buletinul informativ The Conversation.]

Trăsături interesante ale plantelor „bolnave”

Eu și colegii mei am observat câteva caracteristici remarcabile ale disbiozei la mutantul nostru Arabidopsis plante.

În primul rând, mutanții cu disbioză tind să aibă un nivel anormal de ridicat de microbi care trăiesc în interiorul frunzelor.

O frunză dintr-o plantă Arabidopsis sănătoasă (stânga) și o frunză dintr-o plantă mutantă de disbioză (dreapta). (când plantele și microbii lor nu sunt sincronizați, rezultatele pot fi dezastruoase)O frunză dintr-o plantă Arabidopsis sănătoasă (stânga) și o frunză dintr-o plantă mutantă de disbioză (dreapta). Sheng-yang he, CC BY-SA

În al doilea rând, există o schimbare drastică în diversitatea microbilor. De exemplu, în mod normal Arabidopsis frunze de plante, există tot felul de bacterii care trăiesc în interiorul frunzei. În contrast, diversitatea generală a bacteriilor este mult redusă la mutanții disbiotici, sugerând că plantele sănătoase promovează diversitatea microbiană, probabil pentru a crește beneficiile pentru sănătatea plantelor.

În al treilea rând, în timp ce bacteriile care aparțin filului Fermicute sunt abundente în interiorul tipului sălbatic Arabidopsis frunze, abundența este redusă semnificativ la mutanții noștri genetici. În plus, am văzut o creștere dramatică a numărului de bacterii dăunătoare în frunzele mutante ale disbiozei. Găsim interesant faptul că unele dintre aceste modificări ale microbiotei sunt observate și la pacienții umani cu boli inflamatorii intestinale, sugerând paralele conceptuale în dezvoltarea disbiozei la oameni și plante.

Ce urmeaza?

Suntem încântați de identificarea mai multor gene de plante și procese implicate în prevenirea disbiozei. Genele care controlează microbiota am identificat-o în Arabidopsis se găsesc în genomul multor alte plante, sugerând că descoperirile noastre pot avea o aplicabilitate largă.

În viitor, am putea experimenta schimbarea acestor gene gazdă, ceea ce poate duce la abordări bazate pe microbiote care îmbunătățesc sănătatea plantelor. De exemplu, tehnologiile de editare a genelor ar putea fi folosite pentru a crea un biom sănătos în frunzele plantelor prin îmbunătățirea exprimării genelor specifice. Un microbiom sintetic sănătos poate fi formulat ca un probiotic pentru a preveni disbioza la plante, la fel ca s-a promis că probioticele vor îmbunătăți sănătatea microbiomului intestinal uman.

De remarcat, mutațiile genelor legate de sistemul imunitar al unei persoane sunt binecunoscute factor de risc pentru dezvoltarea bolii inflamatorii intestinale în oameni. Poate că cercetările viitoare vor găsi mai multe caracteristici comune în modul în care plantele și oamenii interacționează cu microbiota lor respectivă pentru a preveni bolile.

Ușurința studiilor genetice la plante, cum ar fi Arabidopsis, oferă, de asemenea, posibilitatea ca cercetătorii să poată identifica mai multe gene implicate în conservarea sănătății microbiotei la oameni și plante.

Conversaţie

Despre autor

Sheng-Yang He, profesor distins al universității, investigator HHMI, Michigan State University

Acest articol este republicat de la Conversaţie sub licență Creative Commons. Citeste Articol original.

ING