En hälsosam vildtyp-Arabidopsis-växt (vänster) och en mutantväxt som lider av en mikroobalans (höger). Sheng-Yang He, CC BY-SA

Många av oss har hört talas om inflammatorisk tarmsjukdom, ett försvagande tillstånd som är associerat med en onormal samling av mikrober i den mänskliga tarmen - känd som tarmmikrobiomet. Mitt lab nyligen upptäckt att, precis som människor, kan växter också utveckla detta tillstånd, känt som dysbios, med allvarliga konsekvenser.

Som en del av den här studien, mina kollegor och jag upptäckte att vissa gener och processer som är involverade i att kontrollera dysbios i växter kan likna dem hos människor. Upptäckten av dysbios i växtriket öppnar nya möjligheter för att stimulera innovation inom växthälsa och global livsmedelssäkerhet.

Jag är en växtmikrobiolog intresserad av hur växter och mikrober interagerar med varandra. Även om vår forskning tidigare har varit inriktad på molekylära detaljer av patogena infektioner, detta arbete ledde mitt laboratorium in i den fascinerande världen av växtmikrobiom.

Har växter mikrobiomer?

När forskare säger att mänskliga ”tarmbakterier” borde vara välbalanserade hänvisar de till det genetiska materialet hos alla mikrober som lever i mänskliga matsmältningssystem, eller tarmmikrobiomet. Har växter också mikrobiomer? Svaret är ja.

Faktum är att de delar av växten som växer ovan jord, kallad phyllosphere, och de delar som växer nedan, kallad rhizosphere, ger en av de största livsmiljöerna för mikrokolonisering på jorden. Båda är livsviktiga för människors liv på jorden.

Fyllosfären tar upp koldioxid för fotosyntes, vilket är nödvändigt för att bygga biomassa och är en primär källa till mat, bränslen, fibrer och läkemedel. Fotosyntes frigör också syre för djur och människor att andas, varför växter ofta anses vara lungorna på vår planet. Rhizosfären tar å andra sidan upp vatten och näringsämnen från jorden.

Många studier har visat att växtmikrober hjälper växter att utvinna näringsämnen från jorden och klara torka, patogener, insekter och andra påfrestningar.

Ekologiska studier har också noterat att ju större mångfald mikrober som lever på växtblad, desto mer produktiva verkar plantorna vara.

Idag tror de flesta växtforskare globala strategier för att säkerställa grödans produktivitet och livsmedelssäkerhet måste beakta växternas mikrobiom. FN: s livsmedels- och jordbruksorganisation uppskattar det upp till 40% av livsmedelsgrödorna går förlorade på grund av växtskadegörare och sjukdomar årligen, och FN: s generalförsamling förklarade 2020 som det internationella året för växthälsa.

Vissa mikrober är associerade med bladen och skotten, medan en annan distinkt uppsättning lever bland rötterna. Sheng-Yang He, CC BY-SA

Hur håller växter mikrobiota friska?

Med tanke på vikten av mikrobiota - den specifika gemenskapen av mikrober som lever på eller nära växter - för växthälsan, resonerade vi att växter måste ha utvecklat ett sofistikerat genetiskt nätverk för att välja rätt blandning av mikrober.

Om det är sant, kan vetskap om vilka växtgener som påverkar typerna av mikrober som omger växten vägleda framtida forskning för att optimera växtmikrobiomer för att hjälpa växter växa bättre, starkare och producera mer biomassa och avkastning.

Faktum är att min grupp nu har identifierat några av dessa "mikrobiota-kontrollerande" gener i modellväxten Arabidopsis thaliana.

Vi fann att flera gener involverad i växtimmunitet och vattenbalans är avgörande för att välja och upprätthålla en hälsosam mikrobiota inuti Arabidopsis växtblad.

När vi tog bort dessa identifierade gener från växter, Arabidopsis växtmutanter kunde inte vara värd för rätt blandning av mikrober och visade symtom på dysbios, inklusive döda eller gulnande löv. Så vitt vi vet var det detta första gången har de negativa effekterna av dysbios dokumenterats kausalt i växtriket.

[Du måste förstå coronavirus-pandemin, och vi kan hjälpa till. Läs konversationens nyhetsbrev.]

Intressanta egenskaper hos "sjuka" växter

Mina kollegor och jag observerade några anmärkningsvärda dysbiosfunktioner i vår mutant Arabidopsis växter.

För det första tenderar dysbiosmutanter att ha en onormalt hög nivå av mikrober som lever inuti bladen.

Ett blad från en hälsosam Arabidopsis-växt (vänster) och ett blad från en dysbios-mutantväxt (höger). Sheng-Yang He, CC BY-SA

För det andra sker det en drastisk förändring i mångfalden av mikrober. Till exempel i det normala Arabidopsis växtblad, det finns alla typer av bakterier som lever inuti bladet. Däremot minskar den totala mångfalden av bakterier kraftigt i de dysbiotiska mutanterna, vilket tyder på att friska växter främjar mikrobiell mångfald, antagligen för att öka fördelarna för växthälsan.

För det tredje, medan bakterier som tillhör phylum Fermicutes finns rikligt inuti vildtyp Arabidopsis blad minskar överflödet signifikant i våra genetiska mutanter. Dessutom såg vi en dramatisk ökning av antalet skadliga bakterier inuti dysbiosmutantbladen. Vi finner det intressant att vissa av dessa mikrobiota-förändringar också observeras hos inflammatoriska tarmsjukdomspatienter, vilket tyder på konceptuella paralleller i utvecklingen av dysbios hos människor och växter.

Vad kommer härnäst?

Vi är glada över vår identifiering av flera växtgener och processer som är involverade i att förebygga dysbios. De mikrobiota-kontrollerande generna vi identifierade i Arabidopsis finns i genomet hos många andra växter, vilket tyder på att våra resultat kan ha bred tillämpbarhet.

I framtiden kan vi experimentera med att ändra dessa värdgener, vilket kan leda till mikrobiotabaserade metoder som förbättrar växthälsan. Till exempel kan teknik för genredigering användas för att skapa en hälsosam biom i växtblad genom att förbättra uttrycket av specifika gener. Ett syntetiskt friskt mikrobiom kan formuleras som ett probiotiskt medel för att förhindra dysbios i växter, mycket som probiotika har lovats att förbättra människans tarmmikrobiom hälsa.

Observera att mutationer i gener relaterade till en persons immunsystem är välkända riskfaktor för utveckling av inflammatorisk tarmsjukdom i människor. Kanske kommer framtida forskning att hitta mer delade egenskaper i hur växter och människor interagerar med respektive mikrobiota för att förhindra sjukdom.

Det enkla med genetiska studier på växter, såsom Arabidopsis, ger också möjligheten att forskare kommer att kunna identifiera fler gener som är inblandade i att bevara mikrobiothälsa hos människor och växter.

Om författaren

Sheng-Yang He, universitetets framstående professor, HHMI-utredare, Michigan State University

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

användning