'N Gesonde wildetipe Arabidopsis-plant (links) en 'n mutante plant wat aan mikro-wanbalans ly (regs). Sheng-Yang Hy, CC BY-SA

Baie van ons het al daarvan gehoor inflammatoriese dermsiekte, 'n verswakkende toestand wat gepaard gaan met 'n abnormale versameling mikrobes in die menslike ingewande - bekend as die derm-mikrobioom. My laboratorium het onlangs bevind dat plante, soos mense, ook hierdie toestand, bekend as dysbiose, kan ontwikkel met ernstige gevolge.

As deel van hierdie studie, het ek en my kollegas ontdek dat sommige gene en prosesse wat betrokke is by die bestryding van dysbiose in plante, soortgelyk kan wees aan dié by mense. Ontdekking van dysbiose in die planteryk bied nuwe moontlikhede om innovasie in plantgesondheid en wêreldwye voedselsekerheid te stimuleer.

Ek is 'n plantmikrobioloog belangstel in hoe plante en mikrobes interaksie met mekaar het. Alhoewel ons navorsing in die verlede gesentreer het op molekulêre besonderhede van patogene infeksies, hierdie werk het my laboratorium gelei tot die fassinerende wêreld van plantmikrobiome.

Het plante mikrobiome?

As wetenskaplikes sê dat menslike 'dermbakterieë' goed gebalanseerd moet wees, verwys dit na die genetiese materiaal van al die mikrobes wat in menslike spysverteringstelsels voorkom, of die dermmikrobioom. Het plante ook mikrobiome? Die antwoord is ja.

Trouens, die dele van die plant wat bogronds groei, wat filosfeer genoem word, en die dele wat onder groei, genaamd risosfeer, is een van die grootste habitats vir mikrobe-kolonisasie op aarde. Albei is lewensbelangrik vir die mens se lewe op aarde.

Die filosfeer neem koolstofdioksied op vir fotosintese, wat nodig is om biomassa te bou en is 'n primêre bron van voedsel, brandstowwe, vesels en medisyne. Fotosintese stel ook suurstof vry vir diere en mense om asem te haal, en daarom word plante dikwels as die longe van ons planeet beskou. Die risosfeer neem daarenteen water en voedingstowwe uit die grond op.

Verskeie studies het getoon dat plantmikrobes plante help om voedingstowwe uit die grond te haal en droogte, patogene, insekte en ander spanning te hanteer.

Ekologiese studies het ook opgemerk dat hoe groter die verskeidenheid mikrobes wat op plantblare leef, hoe produktiewer lyk.

Vandag glo die meeste plantwetenskaplikes dat globale strategieë om gewasproduktiwiteit en voedselsekerheid te verseker, die mikrobioom van plante in ag moet neem. Die VN se Voedsel- en Landbou-organisasie skat dit tot 40% van voedselgewasse gaan jaarliks ​​verlore as gevolg van plantplae en -siektes, en die Algemene Vergadering van die Verenigde Nasies het 2020 tot die Internasionale Jaar van Plantgesondheid verklaar.

Sommige mikrobes hou verband met die blare en lote, terwyl 'n ander duidelike stel tussen die wortels woon. Sheng-Yang Hy, CC BY-SA

Hoe hou plante mikrobiota gesond?

Gegewe die belangrikheid van mikrobiota - die spesifieke gemeenskap van mikrobes wat op of naby plante woon - vir plantgesondheid, het ons geredeneer dat plante 'n gesofistikeerde genetiese netwerk moes ontwikkel het om die regte mengsel van mikrobes te kies.

As dit waar is, kan die toekomstige navorsing lei tot die optimalisering van plantmikrobiome om plante te help om beter, sterker te groei en meer biomassa en opbrengs te lewer, om te weet watter plantgene die soorte mikrobes rondom die plant beïnvloed.

Inderdaad, my groep het nou 'n paar van hierdie 'mikrobiota-beheermende' gene in die modelplant geïdentifiseer Arabidopsis thaliana.

Ons het gevind dat verskeie gene betrokke by plantimmuniteit en waterbalans is van kritieke belang om 'n gesonde mikrobiota binne te kies en te handhaaf Arabidopsis plant blare.

Toe ons hierdie geïdentifiseerde gene van plante verwyder, het die Arabidopsis plantmutante kon nie die regte mengsel van mikrobes aanbied nie en het simbole van dysbiose getoon, insluitend dooie of vergeling van blare. Sover ons weet, was dit die die eerste keer dat die negatiewe gevolge van dysbiose oorsaaklik gedokumenteer is in die planteryk.

[U moet die coronavirus-pandemie verstaan, en ons kan help. Lees die nuusbrief van The Conversation.]

Interessante kenmerke van 'siek' plante

Ek en my kollegas het 'n paar opmerklike dysbiose-eienskappe in ons mutant waargeneem Arabidopsis plante.

Eerstens, dysbiose-mutante is geneig om 'n abnormale hoë vlak van mikrobes in die blare te hê.

'N Blaar van 'n gesonde Arabidopsis-plant (links) en 'n blaar van 'n dysbiose-mutante plant (regs). Sheng-Yang Hy, CC BY-SA

Tweedens is daar 'n drastiese verandering in die verskeidenheid mikrobes. Byvoorbeeld, in normaal Arabidopsis plantblare, leef daar allerhande bakterieë in die blaar. Daarenteen word die algehele diversiteit van bakterieë in die dysbiotiese mutante aansienlik verminder, wat daarop dui dat gesonde plante mikrobiese diversiteit bevorder, vermoedelik om die voordele vir plantgesondheid te verhoog.

Derdens, terwyl bakterieë wat tot die filum behoort Fermikute is volop in wildtipe Arabidopsis blare, word die oorvloed in ons genetiese mutante aansienlik verminder. Daarbenewens het ons 'n dramatiese toename in die aantal skadelike bakterieë in die dysbiose-mutante blare gesien. Ons vind dit interessant dat sommige van hierdie mikrobiota-veranderinge ook by menslike pasiënte met inflammatoriese dermsiekte waargeneem word, wat dui op konseptuele parallelle in die ontwikkeling van dysbiose by mense en plante.

Wat is volgende?

Ons is opgewonde oor die identifisering van verskeie plantgene en prosesse wat betrokke is by die voorkoming van dysbiose. Die mikrobiota-beheerende gene waarin ons geïdentifiseer het Arabidopsis word in die genome van baie ander plante aangetref, wat daarop dui dat ons bevindinge breed toepaslik kan wees.

In die toekoms kan ons eksperimenteer met die verandering van hierdie gasheergene, wat kan lei tot mikrobiota-gebaseerde benaderings wat die plantgesondheid verbeter. Geen-redigeringstegnologieë kan byvoorbeeld gebruik word om 'n gesonde bioom in plantblare te skep deur die uitdrukking van spesifieke gene te verbeter. 'N Sintetiese gesonde mikrobioom kan geformuleer word as 'n probiotika om dysbiose in plante te voorkom probiotika is belowe om die gesondheid van die derm mikrobiome te verbeter.

Dit is opmerklik dat mutasies in gene wat verband hou met die immuunstelsel van 'n persoon 'n bekende is risikofaktor vir die ontwikkeling van inflammatoriese dermsiekte by mense. Miskien sal toekomstige navorsing meer gedeelde eienskappe vind in hoe plante en mense met hul onderskeie mikrobiota omgaan om siektes te voorkom.

Die gemak van genetiese studies in plante, soos Arabidopsis, bied ook die moontlikheid dat navorsers meer gene sal kan identifiseer wat betrokke is by die behoud van die gesondheid van mikrobiota by mense en plante.

Oor die skrywer

Sheng-Yang He, Universiteit se vooraanstaande professor, HHMI-ondersoeker, Michigan State University

Hierdie artikel is gepubliseer vanaf Die gesprek onder 'n Creative Commons lisensie. Lees die oorspronklike artikel.

ing