Коли рослини та їх мікроби не синхронізовані, результати можуть бути згубними
Здорова рослина арабідопсису дикого типу (ліворуч) і рослина-мутант, що страждають від дисбалансу мікробів (праворуч).
Шен-Ян Хе, CC BY-SA

Багато з нас чули про запальні захворювання кишечника, виснажливий стан, пов’язаний з ненормальним набором мікробів в кишечнику людини - відомий як мікробіом кишечника. Моя лабораторія нещодавно виявили, що, як і у людей, рослини також можуть розвинути цей стан, відомий як дисбіоз, з важкими наслідками.

У рамках це дослідження, ми з колегами виявили, що деякі гени та процеси, що беруть участь у контролі дисбіозу у рослин, можуть бути подібними до таких у людей. Виявлення дисбіозу в рослинному світі відкриває нові можливості для стимулювання інновацій у галузі здоров'я рослин та глобальної продовольчої безпеки.

Я мікробіолог рослин цікавиться, як рослини та мікроби взаємодіють між собою. Хоча наші дослідження в минулому були зосереджені на молекулярні деталі патогенних інфекцій, ця робота привела мою лабораторію у захоплюючий світ рослинних мікробіомів.

Чи є у рослин мікробіоми?

Коли вчені говорять, що «кишкові бактерії людини» мають бути добре збалансованими, вони мають на увазі генетичний матеріал усіх мікробів, що живуть у травній системі людини, або мікробіом кишечника. Чи є у рослин і мікробіоми? Відповідь - так.


Innersele підписатися графіка


Насправді частини рослини, які ростуть надземно, і які називаються філосферою, а ті, що ростуть нижче, називаються ризосферою, забезпечують одне з найбільших місць проживання для колонізації мікробів на Землі. Обидва вони життєво важливі для життя людини на Землі.

Філосфера поглинає вуглекислий газ для фотосинтезу, який необхідний для побудови біомаси і є основним джерелом їжі, палива, клітковини та ліків. Фотосинтез також виділяє кисень для дихання тварин і людей, саме тому рослини часто вважаються легенями нашої планети. З іншого боку, ризосфера забирає воду та поживні речовини з ґрунту.

Численні дослідження показали, що рослинні мікроби допомагають рослинам витягувати поживні речовини з ґрунту та справлятися із посухою, патогенами, комахами та іншими стресами.

Екологічні дослідження також відзначали, що чим більша різноманітність мікробів, що живуть на листках рослин, тим продуктивнішими видаються рослини.

Сьогодні більшість вчених рослин вважають, що глобальні стратегії забезпечення врожайності та продовольчої безпеки повинні враховувати мікробіом рослин. Продовольча та сільськогосподарська організація ООН вважає, що до 40% продовольчих культур щороку втрачаються через шкідників та хвороб рослин, а Генеральна Асамблея ООН проголосила 2020 рік Міжнародним роком охорони здоров’я рослин.

Деякі мікроби асоціюються з листям і пагонами, тоді як інший окремий набір живе серед коріння.Деякі мікроби асоціюються з листям і пагонами, тоді як інший окремий набір живе серед коріння. Шен-Ян Хе, CC BY-SA

Як рослини підтримують мікробіоти здоровими?

Враховуючи важливість мікробіоти - специфічної спільноти мікробів, що живуть на рослинах або поруч із ними, для здоров’я рослин, ми обгрунтували, що рослини, мабуть, створили складну генетичну мережу, щоб вибрати правильну суміш мікробів.

Якщо це правда, тоді знання, які рослинні гени впливають на типи мікробів, що оточують рослину, може допомогти подальшим дослідженням оптимізувати мікробіоми рослин, щоб допомогти рослинам рости краще, сильніше та виробляти більше біомаси та врожайності.

Дійсно, зараз моя група визначила деякі з цих генів, що “контролюють мікробіоти”, у модельній рослині Arabidopsis thaliana.

Ми виявили, що кілька генів залучені до імунітету рослин та водного балансу мають вирішальне значення для вибору та підтримки здорової мікробіоти всередині Арабідопсис листя рослини.

Коли ми вилучили ці виявлені гени з рослин, Арабідопсис рослинні мутанти не могли приймати правильну суміш мікробів і мали симптоми дисбіозу, включаючи мертві або пожовклі листя. Наскільки нам відомо, це було вперше негативні наслідки дисбіозу були причинно задокументовані у рослинному царстві.

[Вам потрібно зрозуміти пандемію коронавірусу, і ми можемо допомогти. Прочитайте бюлетень розмови.]

Цікаві особливості «хворих» рослин

Ми з колегами спостерігали деякі помітні особливості дисбіозу у нашого мутанта Арабідопсис рослини.

По-перше, мутанти дисбіозу, як правило, мають аномально високий рівень мікробів, що живуть усередині листя.

Лист здорової рослини арабідопсису (ліворуч) і лист рослини-мутанта дисбіозу (праворуч). (коли рослини та їх мікроби не синхронізуються, результати можуть бути згубними)Лист здорової рослини арабідопсису (ліворуч) і лист рослини-мутанта дисбіозу (праворуч). Шен-Ян Хе, CC BY-SA

По-друге, відбувається різка зміна різноманітності мікробів. Наприклад, у звичайному Арабідопсис листя рослин, всередині листа живуть всі види бактерій. Навпаки, загальне різноманіття бактерій значно зменшується у мутантів-дисбіотиків, що свідчить про те, що здорові рослини сприяють мікробному різноманіттю, імовірно, для збільшення користі для здоров'я рослин.

По-третє, поки бактерії, що належать до типу Фермікути багато в дикому типі Арабідопсис листя, чисельність значно зменшується у наших генетичних мутантів. Крім того, ми спостерігали різке збільшення кількості шкідливих бактерій всередині листя мутанта дисбіозу. Нам цікаво, що деякі з цих змін мікробіоти спостерігаються також у пацієнтів із запальними захворюваннями кишечника, що передбачає концептуальні паралелі у розвитку дисбіозу у людей та рослин.

Що далі?

Ми в захваті від нашої ідентифікації декількох рослинних генів та процесів, що беруть участь у запобіганні дисбіозу. Гени, що контролюють мікробіоти, ми ідентифікували в Арабідопсис знайдені в геномах багатьох інших рослин, що припускає, що наші висновки можуть мати широке застосування.

У майбутньому ми могли б експериментувати зі зміною цих генів господаря, що може призвести до підходів на основі мікробіоти, що покращують здоров’я рослин. Наприклад, технології редагування генів можуть бути використані для створення здорового біому в листі рослин шляхом посилення експресії специфічних генів. Синтетичний здоровий мікробіом може бути сформульований як пробіотик для запобігання дисбактеріозу у рослин обіцяно, що пробіотики покращать здоров’я мікробіомів кишечника людини.

Слід зазначити, що мутації в генах, пов’язаних з імунною системою людини, добре відомі фактор ризику розвитку запального захворювання кишечника у людини. Можливо, майбутні дослідження виявлять більше спільних характеристик того, як рослини та людина взаємодіють із відповідною мікробіотою, щоб запобігти захворюванню.

Простота генетичних досліджень на рослинах, таких як арабідопсис, також забезпечує можливість того, що дослідники зможуть виявити більше генів, що беруть участь у збереженні здоров'я мікробіоти у людей і рослин.

Бесіда

Про автора

Шен-Ян Хе, заслужений професор університету, слідчий HHMI, Університет штату Мічіган

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.

ІНГ