Здоровое растение арабидопсис дикого типа (слева) и мутантное растение, страдающее микробным дисбалансом (справа). Шэн-Ян Хэ, CC BY-SA

Многие из нас слышали о воспалительные заболевания кишечника, изнурительное состояние, связанное с аномальным скоплением микробов в кишечнике человека, известное как микробиом кишечника. Моя лаборатория Недавно было обнаружено, что, как и у людей, у растений также может развиться это состояние, известное как дисбактериоз, с серьезными последствиями.

В рамках это исследованиемы с коллегами обнаружили, что некоторые гены и процессы, участвующие в контроле дисбактериоза у растений, могут быть похожи на таковые у людей. Открытие дисбактериоза в царстве растений открывает новые возможности для стимулирования инноваций в области здоровья растений и глобальной продовольственной безопасности.

Я микробиолог растений интересуется, как растения и микробы взаимодействуют друг с другом. Хотя наши исследования в прошлом были сосредоточены на молекулярные детали патогенных инфекцийэта работа привела мою лабораторию в увлекательный мир микробиома растений.

Есть ли у растений микробиомы?

Когда ученые говорят, что «кишечные бактерии» человека должны быть хорошо сбалансированы, они имеют в виду генетический материал всех микробов, живущих в пищеварительной системе человека, или микробиом кишечника. Есть ли у растений микробиомы? Ответ положительный.

Фактически, части растения, которые растут над землей, называемые филлосферой, и те части, которые растут ниже, называемые ризосферой, обеспечивают одну из крупнейших сред обитания для колонизации микробов на Земле. Оба жизненно важны для жизни человека на Земле.

Филлосфера потребляет углекислый газ для фотосинтеза, который необходим для создания биомассы и является основным источником пищи, топлива, волокон и лекарств. Фотосинтез также высвобождает кислород для дыхания животных и человека, поэтому растения часто считаются легкими нашей планеты. С другой стороны, ризосфера забирает воду и питательные вещества из почвы.

Многочисленные исследования показали, что микробы растений помогают растениям извлекать питательные вещества из почвы и справляться с засухой, болезнетворными микроорганизмами, насекомыми и другими стрессами.

Экологические исследования также отметили, что чем больше разнообразие микробов, обитающих на листьях растений, тем более продуктивными кажутся растения.

Сегодня большинство ученых-растениеводов считают, что глобальные стратегии обеспечения урожайности и продовольственной безопасности должны учитывать микробиом растений. По оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, до 40% продовольственных культур ежегодно теряются из-за вредителей и болезней растений, и Генеральная Ассамблея Организации Объединенных Наций объявила 2020 год Международным годом здоровья растений.

Некоторые микробы связаны с листьями и побегами, а другие - среди корней. Шэн-Ян Хэ, CC BY-SA

Как растения поддерживают здоровье микробиоты?

Учитывая важность микробиоты - особого сообщества микробов, живущих на растениях или рядом с ними - для здоровья растений, мы пришли к выводу, что растения, должно быть, развили сложную генетическую сеть, чтобы выбрать правильную смесь микробов.

Если это правда, то знание того, какие гены растений влияют на типы микробов, окружающих растение, могло бы направить будущие исследования по оптимизации микробиомов растений, чтобы помочь растениям расти лучше, сильнее и производить больше биомассы и урожайности.

Действительно, теперь моя группа определила некоторые из этих «контролирующих микробиоту» генов в модельном растении. Arabidopsis thaliana.

Мы обнаружили, что несколько генов участвуют в иммунитете растений и водном балансе, имеют решающее значение для выбора и поддержания здоровой микробиоты внутри Arabidopsis листья растений.

Когда мы удалили эти идентифицированные гены из растений, Arabidopsis мутанты растений не могли содержать правильную смесь микробов и проявляли симптомы дисбактериоза, включая мертвые или пожелтевшие листья. Насколько нам известно, это был впервые причинно задокументированы отрицательные эффекты дисбактериоза в царстве растений.

[Вам нужно понять пандемию коронавируса, и мы можем помочь. Читайте рассылку.]

Интересные особенности «больных» растений

Мы с коллегами наблюдали некоторые заметные особенности дисбактериоза у нашего мутанта. Arabidopsis растения.

Во-первых, мутанты по дисбактериозу, как правило, имеют аномально высокий уровень микробов, живущих внутри листьев.

Лист здорового растения арабидопсис (слева) и лист растения-мутанта по дисбактериозу (справа). Шэн-Ян Хэ, CC BY-SA

Во-вторых, резко изменилось разнообразие микробов. Например, в нормальном Arabidopsis листья растения, внутри листа живут всевозможные бактерии. Напротив, у дисбиотических мутантов общее разнообразие бактерий значительно снижено, что позволяет предположить, что здоровые растения способствуют микробному разнообразию, предположительно для увеличения пользы для здоровья растений.

В-третьих, в то время как бактерии, принадлежащие к типу Фермикуты в изобилии внутри дикого типа Arabidopsis листьев у наших генетических мутантов численность значительно снижена. Кроме того, мы наблюдали резкое увеличение количества вредных бактерий внутри листьев мутанта по дисбактериозу. Мы считаем интересным, что некоторые из этих изменений микробиоты также наблюдаются у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника, что указывает на концептуальные параллели в развитии дисбактериоза у людей и растений.

Что дальше?

Мы очень рады тому, что мы идентифицировали несколько генов растений и процессов, участвующих в предотвращении дисбактериоза. Гены, контролирующие микробиоту, мы идентифицировали в Arabidopsis обнаружены в геномах многих других растений, что позволяет предположить, что наши открытия могут иметь широкое применение.

В будущем мы могли бы поэкспериментировать с изменением этих генов-хозяев, что может привести к основанным на микробиоте подходам, улучшающим здоровье растений. Например, технологии редактирования генов можно использовать для создания здорового биома в листьях растений путем усиления экспрессии определенных генов. Синтетический здоровый микробиом может быть сформулирован как пробиотик для предотвращения дисбактериоза растений, как и пробиотики обещали улучшить здоровье микробиома кишечника человека.

Следует отметить, что мутации в генах, связанных с иммунной системой человека, хорошо известны. фактор риска развития воспалительного заболевания кишечника в людях. Возможно, в будущих исследованиях будет обнаружено больше общих характеристик в том, как растения и люди взаимодействуют с соответствующей микробиотой, чтобы предотвратить болезнь.

Простота генетических исследований растений, таких как арабидопсис, также дает возможность исследователям идентифицировать больше генов, участвующих в сохранении здоровья микробиоты у людей и растений.

Об авторе

Шэн-Ян Хэ, заслуженный профессор университета, исследователь HHMI, Университет штата Мичиган

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.

ИНГ