Egészséges vad típusú Arabidopsis növény (balra) és egy mutáns növény, amely mikroba egyensúlyhiányban szenved (jobbra). Sheng-Yang He, CC BY-SA

Sokan hallottunk róla gyulladásos bélbetegség, egy gyengítő állapot, amely az emberi bél rendellenes mikrobagyűjtésével jár - úgynevezett bélmikrobiom. Laborom nemrégiben azt tapasztalták, hogy az emberekhez hasonlóan a növények is súlyos következményekkel képesek kifejleszteni ezt a diszbiózis néven ismert állapotot.

Ennek része ez a tanulmány, kollégáimmal felfedeztük, hogy a növények dysbiosisának szabályozásában szerepet játszó egyes gének és folyamatok hasonlóak lehetnek az emberekéivel. A dysbiosis felfedezése a növényvilágban új lehetőségeket nyit meg a növényegészségügy és a globális élelmezésbiztonság terén az innováció ösztönzésére.

Növényi mikrobiológus vagyok érdekli, hogy a növények és a mikrobák hogyan hatnak egymással. Bár a múltban végzett kutatásaink középpontjában az állt a patogén fertőzések molekuláris részletei, ez a munka laboratóriumomat a növényi mikrobiom lenyűgöző világába vezette.

Van-e a növényeknek mikrobiómája?

Amikor a tudósok azt mondják, hogy az emberi „bélbaktériumoknak” kiegyensúlyozottnak kell lenniük, az emberi emésztőrendszerben élő összes mikroba genetikai anyagára vagy a bél mikrobiomjára utalnak. Van-e a növényeknek mikrobiómája is? A válasz igen.

Valójában a növény földfelszínen növekvő részei, az úgynevezett filoszféra, és azok a részek, amelyek lent nőnek, az úgynevezett rizoszféra, biztosítják a Föld egyik legnagyobb élőhelyét a mikrobák kolonizációjához. Mindkettő létfontosságú az emberi élet számára a Földön.

A filoszféra szén-dioxidot vesz fel a fotoszintézishez, amely a biomassza felépítéséhez szükséges, és amely az élelmiszer, üzemanyagok, rostok és gyógyszerek elsődleges forrása. A fotoszintézis oxigént bocsát ki az állatok és az emberek számára a légzés céljából, ezért a növényeket gyakran bolygónk tüdejének tekintik. A rizoszféra viszont felveszi a talajból a vizet és a tápanyagokat.

Számos tanulmány kimutatták, hogy a növényi mikrobák segítik a növényeket a tápanyagok kivonásában a talajból és az aszály, kórokozók, rovarok és egyéb stresszek kezelésében.

Ökológiai vizsgálatok azt is megjegyezték, hogy minél nagyobb a növényi leveleken élő mikrobák változatossága, annál produktívabbnak tűnnek a növények.

Ma a legtöbb növénytudós úgy véli, hogy a növények termelékenységének és élelmezésbiztonságának biztosítására irányuló globális stratégiáknak figyelembe kell venniük a növények mikrobiomját. Az ENSZ Élelmezési és Mezőgazdasági Szervezete úgy becsüli az étkezési növények 40% -a évente elvesznek a növényi kártevők és betegségek miatt, és az ENSZ Közgyűlése 2020-at a növény-egészségügy nemzetközi évének nyilvánította.

Néhány mikroba a levelekhez és a hajtásokhoz kapcsolódik, míg a gyökerek között egy másik különálló csoport él. Sheng-Yang He, CC BY-SA

Hogyan tartják a növények egészségesnek a mikrobiotát?

Tekintettel a mikrobiota - a növényeken vagy azok közelében élő mikrobák sajátos közösségének - jelentőségére a növények egészsége szempontjából, úgy gondoltuk, hogy a növényeknek kifinomult genetikai hálózatot kellett kifejleszteniük a mikrobák megfelelő keverékének kiválasztásához.

Ha ez igaz, akkor annak ismerete, hogy mely növényi gének befolyásolják a növényt körülölelő mikrobatípusokat, a jövőbeni kutatásokat irányíthatja a növényi mikrobiomák optimalizálására, hogy ezáltal a növények jobban, erősebben növekedhessenek, valamint több biomasszát és hozamot termeljenek.

Valójában az én csoportom azonosított néhány ilyen „mikrobiotát kontrolláló” gént a modellüzemben Arabidopsis thaliana.

Megállapítottuk, hogy több gén részt vesz a növények immunitásában és a vízháztartásban kritikus fontosságú az egészséges mikrobiota kiválasztásában és fenntartásában Arabidopsis növényi levelek.

Amikor eltávolítottuk ezeket az azonosított géneket a növényekből, a Arabidopsis a növényi mutánsok nem tudták befogadni a mikrobák megfelelő keverékét, és a dysbiosis tüneteit mutatták ki, beleértve az elhalt vagy sárguló leveleket. Tudomásunk szerint ez volt az először dokumentálták a dysbiosis negatív hatásait a növényvilágban.

[Meg kell értenie a koronavírus-járványt, és mi segíthetünk. Olvassa el a beszélgetés hírlevelét.]

A „beteg” növények érdekes tulajdonságai

Kollégáimmal és mutánsunkon figyelemre méltó dysbiosis jellegzetességeket figyeltünk meg Arabidopsis növények.

Először is, a dysbiosis mutánsokban általában abnormálisan magas mikrobák élnek a levelek belsejében.

Levele egészséges Arabidopsis növényből (balra) és levél dysbiosis mutáns növényből (jobbra). Sheng-Yang He, CC BY-SA

Másodszor, drasztikus változás következik be a mikrobák sokféleségében. Például normális körülmények között Arabidopsis növényi levelek, a levélben mindenféle baktérium él. Ezzel szemben a baktériumok általános sokfélesége nagymértékben csökken a diszbiotikus mutánsokban, ami arra utal, hogy az egészséges növények elősegítik a mikrobiális sokféleséget, feltehetően azért, hogy növeljék a növények egészségének előnyeit.

Harmadszor, míg a törzshöz tartozó baktériumok Fermicutes vadon belül bővelkednek Arabidopsis levelek, a bőség jelentősen csökken genetikai mutánsainkban. Ezenkívül a káros baktériumok számának drámai növekedését tapasztaltuk a dysbiosis mutáns levelein belül. Érdekesnek tartjuk, hogy ezek közül a mikrobiotában bekövetkező változások némelyike ​​megfigyelhető gyulladásos bélbetegségben szenvedő betegeknél is, ami fogalmi párhuzamokra utal az emberekben és a növényekben a dysbiosis kialakulásában.

Mi a következő lépés?

Izgatottan várjuk a dysbiosis megelőzésében szerepet játszó számos növényi gén és folyamat azonosítását. A mikrobiotát kontrolláló gének, amelyekben azonosítottuk Arabidopsis sok más növény genomjában találhatók, ami arra utal, hogy eredményeink széles körben alkalmazhatók.

A jövőben kísérletezhetünk ezen gazda gének megváltoztatásával, ami mikrobiota alapú megközelítésekhez vezethet, amelyek javítják a növények egészségét. Például génszerkesztő technológiákat lehet használni a növényi levelekben egészséges biom létrehozására a specifikus gének expressziójának fokozása révén. A szintetikus egészséges mikrobióm probiotikumként formulázható a növényekben a dysbiosis megelőzésére, akárcsak A probiotikumok megígérték, hogy javítják az emberi bél mikrobiom egészségét.

Megjegyzendő, hogy a személy immunrendszerével kapcsolatos gének mutációi jól ismertek a gyulladásos bélbetegség kialakulásának kockázati tényezője emberekben. Talán a jövőbeni kutatások több közös jellemzőt fognak találni abban, hogy a növények és az emberek miként lépnek kapcsolatba saját mikrobiájukkal a betegségek megelőzése érdekében.

A növényekben, például az Arabidopsisban végzett genetikai vizsgálatok egyszerűsége azt a lehetőséget is kínálja, hogy a kutatók több gént képesek azonosítani az emberek és a növények mikrobiota egészségének megőrzésében.

A szerzőről

Sheng-Yang He, egyetemi jeles professzor, HHMI-nyomozó, Michigan Állami Egyetem

Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.

ING