Wenn Pflanzen und ihre Mikroben nicht synchron sind, können die Ergebnisse katastrophal sein

Wenn Pflanzen und ihre Mikroben nicht synchron sind, können die Ergebnisse katastrophal sein
Eine gesunde Wildtyp-Arabidopsis-Pflanze (links) und eine mutierte Pflanze, die unter einem Mikroben-Ungleichgewicht leidet (rechts).
Sheng-Yang He, CC BY-SA

Viele von uns haben davon gehört entzündlicher Darmerkrankung, ein schwächender Zustand, der mit einer abnormalen Ansammlung von Mikroben im menschlichen Darm verbunden ist - bekannt als Darmmikrobiom. Mein Labor Kürzlich wurde festgestellt, dass Pflanzen wie Menschen auch diesen als Dysbiose bezeichneten Zustand mit schwerwiegenden Folgen entwickeln können.

Im Rahmen diese Studie, meine Kollegen und ich entdeckten, dass einige Gene und Prozesse, die an der Kontrolle der Dysbiose in Pflanzen beteiligt sind, denen beim Menschen ähnlich sein können. Die Entdeckung der Dysbiose im Pflanzenreich eröffnet neue Möglichkeiten zur Förderung von Innovationen im Bereich der Pflanzengesundheit und der globalen Ernährungssicherheit.

Ich bin Pflanzenmikrobiologe interessiert daran, wie Pflanzen und Mikroben miteinander interagieren. Obwohl sich unsere Forschung in der Vergangenheit auf konzentriert hat molekulare Details pathogener InfektionenDiese Arbeit führte mein Labor in die faszinierende Welt des Pflanzenmikrobioms.

Haben Pflanzen Mikrobiome?

Wenn Wissenschaftler sagen, dass menschliche „Darmbakterien“ gut ausbalanciert sein sollten, beziehen sie sich auf das genetische Material aller im menschlichen Verdauungssystem lebenden Mikroben oder auf das Darmmikrobiom. Haben Pflanzen auch Mikrobiome? Die Antwort ist ja.


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Tatsächlich bieten die oberirdisch wachsenden Pflanzenteile, die Phyllosphäre genannt werden, und die darunter wachsenden Teile, die Rhizosphäre genannt werden, einen der größten Lebensräume für die Besiedlung von Mikroben auf der Erde. Beide sind lebenswichtig für das menschliche Leben auf der Erde.

Die Phyllosphäre nimmt Kohlendioxid für die Photosynthese auf, das zum Aufbau von Biomasse notwendig ist und eine Hauptquelle für Lebensmittel, Kraftstoffe, Fasern und Medikamente darstellt. Die Photosynthese setzt auch Sauerstoff frei, damit Tiere und Menschen atmen können, weshalb Pflanzen oft als die Lunge unseres Planeten angesehen werden. Die Rhizosphäre hingegen nimmt Wasser und Nährstoffe aus dem Boden auf.

Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass Pflanzenmikroben Pflanzen helfen, Nährstoffe aus dem Boden zu extrahieren und mit Trockenheit, Krankheitserregern, Insekten und anderen Belastungen umzugehen.

Ökologische Studien haben auch festgestellt, dass die Pflanzen umso produktiver zu sein scheinen, je größer die Vielfalt der auf Pflanzenblättern lebenden Mikroben ist.

Heutzutage glauben die meisten Pflanzenwissenschaftler, dass globale Strategien zur Gewährleistung der Pflanzenproduktivität und der Ernährungssicherheit das Mikrobiom der Pflanzen berücksichtigen müssen. Die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen schätzt dies bis zu 40% der Nahrungspflanzen werden jährlich durch Pflanzenschädlinge und -krankheiten verloren, und die Generalversammlung der Vereinten Nationen hat 2020 zum Internationalen Jahr der Pflanzengesundheit erklärt.

Einige Mikroben sind mit den Blättern und Trieben verbunden, während ein anderer bestimmter Satz zwischen den Wurzeln lebt.Einige Mikroben sind mit den Blättern und Trieben verbunden, während ein anderer bestimmter Satz zwischen den Wurzeln lebt. Sheng-Yang He, CC BY-SA

Wie halten Pflanzen Mikrobiota gesund?

Angesichts der Bedeutung von Mikrobiota - der spezifischen Gemeinschaft von Mikroben, die auf oder in der Nähe von Pflanzen leben - für die Pflanzengesundheit haben wir festgestellt, dass Pflanzen ein ausgeklügeltes genetisches Netzwerk entwickelt haben müssen, um die richtige Mischung von Mikroben auszuwählen.

Wenn dies zutrifft, könnte das Wissen darüber, welche Pflanzengene die Arten von Mikroben beeinflussen, die die Pflanze umgeben, die zukünftige Forschung zur Optimierung von Pflanzenmikrobiomen leiten, um Pflanzen zu helfen, besser und stärker zu wachsen und mehr Biomasse und Ertrag zu produzieren.

In der Tat hat meine Gruppe jetzt einige dieser "Mikrobiota-kontrollierenden" Gene in der Modellpflanze identifiziert Arabidopsis thaliana.

Wir fanden, dass mehrere Gene Die Beteiligung an der Pflanzenimmunität und dem Wasserhaushalt sind entscheidend für die Auswahl und Aufrechterhaltung einer gesunden Mikrobiota im Inneren Arabidopsis Pflanzenblätter.

Als wir diese identifizierten Gene aus Pflanzen entfernten, wurde die Arabidopsis Pflanzenmutanten konnten nicht die richtige Mischung von Mikroben aufnehmen und zeigten Symptome einer Dysbiose, einschließlich abgestorbener oder gelblicher Blätter. Soweit wir wissen, war dies der Zum ersten Mal wurden die negativen Auswirkungen der Dysbiose kausal dokumentiert im Pflanzenreich.

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Interessante Eigenschaften von "kranken" Pflanzen

Meine Kollegen und ich beobachteten einige bemerkenswerte Dysbiose-Merkmale in unserer Mutante Arabidopsis Pflanzen.

Erstens neigen Dysbiose-Mutanten dazu, einen ungewöhnlich hohen Anteil an Mikroben in den Blättern zu haben.

Ein Blatt einer gesunden Arabidopsis-Pflanze (links) und ein Blatt einer Dysbiose-Mutantenpflanze (rechts). (Wenn Pflanzen und ihre Mikroben nicht synchron sind, können die Ergebnisse katastrophal sein.)Ein Blatt einer gesunden Arabidopsis-Pflanze (links) und ein Blatt einer Dysbiose-Mutantenpflanze (rechts). Sheng-Yang He, CC BY-SA

Zweitens ändert sich die Vielfalt der Mikroben drastisch. Zum Beispiel im Normalfall Arabidopsis Pflanzenblätter, im Blatt leben alle Arten von Bakterien. Im Gegensatz dazu ist die Gesamtvielfalt der Bakterien in den dysbiotischen Mutanten stark verringert, was darauf hindeutet, dass gesunde Pflanzen die mikrobielle Vielfalt fördern, vermutlich um den Nutzen für die Pflanzengesundheit zu erhöhen.

Drittens, während Bakterien, die zum Stamm gehören Fermicute sind im Wildtyp reichlich vorhanden Arabidopsis Blätter, ist die Häufigkeit in unseren genetischen Mutanten signifikant reduziert. Darüber hinaus haben wir einen dramatischen Anstieg der Anzahl schädlicher Bakterien in den Mutantenblättern der Dysbiose festgestellt. Wir finden es interessant, dass einige dieser Mikrobiota-Veränderungen auch bei Patienten mit entzündlichen Darmerkrankungen beim Menschen beobachtet werden, was auf konzeptionelle Parallelen bei der Entwicklung von Dysbiose bei Menschen und Pflanzen hindeutet.

Was kommt als nächstes?

Wir freuen uns über die Identifizierung mehrerer Pflanzengene und -prozesse, die zur Vorbeugung von Dysbiose beitragen. Die Mikrobiota-kontrollierenden Gene, in denen wir identifiziert haben Arabidopsis sind in den Genomen vieler anderer Pflanzen zu finden, was darauf hindeutet, dass unsere Ergebnisse eine breite Anwendbarkeit haben könnten.

In Zukunft könnten wir mit der Veränderung dieser Wirtsgene experimentieren, was zu mikrobiota-basierten Ansätzen führen könnte, die die Pflanzengesundheit verbessern. Zum Beispiel könnten Gen-Editing-Technologien verwendet werden, um ein gesundes Biom in Pflanzenblättern zu erzeugen, indem die Expression spezifischer Gene verbessert wird. Ein synthetisches gesundes Mikrobiom kann als Probiotikum formuliert werden, um eine Dysbiose in Pflanzen zu verhindern, ähnlich wie Probiotika sollen die Gesundheit des menschlichen Darmmikrobioms verbessern.

Bemerkenswerterweise sind Mutationen in Genen, die mit dem Immunsystem einer Person zusammenhängen, bekannt Risikofaktor für die Entwicklung einer entzündlichen Darmerkrankung in Menschen. Vielleicht wird die zukünftige Forschung mehr gemeinsame Merkmale darin finden, wie Pflanzen und Menschen mit ihren jeweiligen Mikrobiota interagieren, um Krankheiten vorzubeugen.

Die Leichtigkeit genetischer Studien an Pflanzen wie Arabidopsis bietet auch die Möglichkeit, dass Forscher mehr Gene identifizieren können, die zur Erhaltung der Gesundheit von Mikrobiota bei Menschen und Pflanzen beitragen.

Das Gespräch

Über den Autor

Sheng-Yang He, Universitätsprofessor, HHMI-Ermittler, Michigan State University

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

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