En sund vildtype Arabidopsis plante (til venstre) og en mutant plante, der lider af en mikrobe ubalance (højre). Sheng-Yang He, CC BY-SA

Mange af os har hørt om inflammatorisk tarmsygdom, en svækkende tilstand, der er forbundet med en unormal samling af mikrober i den menneskelige tarm - kendt som tarmmikrobiomet. Mit laboratorium for nylig fundet, at planter, ligesom mennesker, også kan udvikle denne tilstand, kendt som dysbiose, med alvorlige konsekvenser.

Som en del af denne undersøgelse, mine kolleger og jeg opdagede, at nogle gener og processer, der er involveret i kontrol af dysbiose i planter, kan ligne dem hos mennesker. Opdagelse af dysbiose i planteriget åbner nye muligheder for at stimulere innovation inden for plantesundhed og global fødevaresikkerhed.

Jeg er en mikrobiolog fra planter interesseret i hvordan planter og mikrober interagerer med hinanden. Selvom vores forskning tidligere har været centreret om molekylære detaljer ved patogene infektioner, dette arbejde førte mit laboratorium ind i den fascinerende verden af ​​plantemikrobiom.

Har planter mikrobiomer?

Når forskere siger, at menneskelige ”tarmbakterier” skal være velafbalancerede, henviser de til det genetiske materiale af alle mikrober, der lever i menneskelige fordøjelsessystemer, eller tarmmikrobiomet. Har planter også mikrobiomer? Svaret er ja.

Faktisk giver de dele af planten, der vokser over jorden, kaldet phyllosphere, og de dele, der vokser nedenunder, kaldet rhizosphere, et af de største levesteder for mikrobekolonisering på Jorden. Begge er afgørende for menneskeliv på Jorden.

Fyllosfæren optager kuldioxid til fotosyntese, som er nødvendig for at opbygge biomasse og er en primær kilde til mad, brændstoffer, fibre og medicin. Fotosyntese frigiver også ilt for dyr og mennesker til at trække vejret, hvorfor planter ofte betragtes som lungerne på vores planet. Rhizosfæren optager derimod vand og næringsstoffer fra jorden.

Talrige undersøgelser har vist, at plantemikrober hjælper planter med at udvinde næringsstoffer fra jorden og klare tørke, patogener, insekter og andre belastninger.

Økologiske undersøgelser har også bemærket, at jo større mangfoldighed mikrober lever på planteblade, jo mere produktive synes planterne at være.

I dag mener de fleste planteforskere, at globale strategier for at sikre afgrødeproduktivitet og fødevaresikkerhed skal overveje planternes mikrobiom. FNs fødevare- og landbrugsorganisation vurderer det op til 40% af madafgrøder går tabt på grund af skadedyr og sygdomme hvert år, og FNs generalforsamling erklærede 2020 som det internationale år for plantesundhed.

Nogle mikrober er forbundet med bladene og skuddene, mens et andet særskilt sæt lever blandt rødderne. Sheng-Yang He, CC BY-SA

Hvordan holder planter mikrobiota sund?

I betragtning af vigtigheden af ​​mikrobiota - det specifikke samfund af mikrober, der lever på eller i nærheden af ​​planter - for plantesundheden, begrundede vi, at planter skal have udviklet et sofistikeret genetisk netværk for at vælge den rigtige blanding af mikrober.

Hvis det er sandt, kan det at lede hvilke plantegener, der påvirker mikrobertyperne omkring planten, lede fremtidig forskning for at optimere plantemikrobiomer for at hjælpe planter med at vokse bedre, stærkere og producere mere biomasse og udbytte.

Faktisk har min gruppe nu identificeret nogle af disse "mikrobiota-kontrollerende" gener i modelplanten Arabidopsis thaliana.

Vi fandt ud af, at flere gener involveret i planteimmunitet og vandbalance er afgørende for udvælgelse og vedligeholdelse af en sund mikrobiota indeni Arabidopsis planteblade.

Da vi fjernede disse identificerede gener fra planter, blev Arabidopsis plantemutanter kunne ikke være vært for den korrekte blanding af mikrober og viste symptomer på dysbiose, inklusive døde eller gulfarvede blade. Så vidt vi ved, var det dette første gang de negative virkninger af dysbiose er kausalt dokumenteret i planteriget.

[Du skal forstå coronavirus-pandemien, og vi kan hjælpe. Læs samtalens nyhedsbrev.]

Interessante træk ved 'syge' planter

Mine kolleger og jeg observerede nogle bemærkelsesværdige dysbiose-træk i vores mutant Arabidopsis planter.

For det første har dysbiose-mutanter tendens til at have et unormalt højt niveau af mikrober, der lever inde i bladene.

Et blad fra en sund Arabidopsis-plante (til venstre) og et blad fra en dysbiose-mutant plante (til højre). Sheng-Yang He, CC BY-SA

For det andet er der en drastisk ændring i mangfoldigheden af ​​mikrober. For eksempel i det normale Arabidopsis planteblade, der er alle slags bakterier, der lever inde i bladet. I modsætning hertil reduceres den samlede mangfoldighed af bakterier stærkt i de dysbiotiske mutanter, hvilket antyder, at sunde planter fremmer mikrobiel mangfoldighed, formodentlig for at øge fordelene for plantesundheden.

For det tredje, mens bakterier, der hører til phylum Fermicutes er rigelige inde i vildtype Arabidopsis blade, er overfloden markant reduceret i vores genetiske mutanter. Derudover så vi en dramatisk stigning i antallet af skadelige bakterier inde i dysbiose-mutante blade. Vi finder det interessant, at nogle af disse mikrobiotaændringer også observeres hos humane patienter med inflammatorisk tarmsygdom, hvilket antyder konceptuelle paralleller i udviklingen af ​​dysbiose hos mennesker og planter.

Hvad er det næste?

Vi er begejstrede for vores identifikation af flere plantegener og processer involveret i forebyggelse af dysbiose. De mikrobiota-kontrollerende gener, vi identificerede i Arabidopsis findes i genomerne på mange andre planter, hvilket tyder på, at vores fund kan have bred anvendelighed.

I fremtiden kunne vi eksperimentere med at ændre disse værtsgener, hvilket kan føre til mikrobiota-baserede tilgange, der forbedrer plantesundheden. For eksempel kunne genredigeringsteknologier bruges til at skabe et sundt biom i planteblade ved at forbedre ekspressionen af ​​specifikke gener. Et syntetisk sundt mikrobiom kan formuleres som et probiotikum for at forhindre dysbiose i planter, meget som probiotika er blevet lovet at forbedre menneskers tarmmikrobiom sundhed.

Bemærk, at mutationer i gener relateret til en persons immunsystem er velkendte risikofaktor for udvikling af inflammatorisk tarmsygdom hos mennesker. Måske vil fremtidig forskning finde mere fælles egenskaber i, hvordan planter og mennesker interagerer med deres respektive mikrobiota for at forhindre sygdom.

Den lette genetiske undersøgelse i planter, såsom Arabidopsis, giver også muligheden for, at forskere vil være i stand til at identificere flere gener, der er involveret i at bevare mikrobiota sundhed hos mennesker og planter.

Om forfatteren

Sheng-Yang He, universitetsprofessor, HHMI Investigator, Michigan State University

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.

ING