En sunn villtype Arabidopsis-plante (til venstre) og en mutant plante som lider av en mikrobe-ubalanse (til høyre). Sheng-Yang He, CC BY-SA

Mange av oss har hørt om inflammatorisk tarmsykdom, en svekkende tilstand som er assosiert med en unormal samling av mikrober i tarmen - kjent som tarmmikrobiomet. Laboratoriet mitt nylig funnet at, som mennesker, kan planter også utvikle denne tilstanden, kjent som dysbiose, med alvorlige konsekvenser.

Som en del av denne studien, kollegaene mine og jeg oppdaget at noen gener og prosesser involvert i å kontrollere dysbiose i planter kan være lik de hos mennesker. Oppdagelse av dysbiose i planteriket åpner nye muligheter for å stimulere innovasjon innen plantehelse og global matsikkerhet.

Jeg er plantemikrobiolog interessert i hvordan planter og mikrober samhandler med hverandre. Selv om vår forskning tidligere har sentrert seg om molekylære detaljer om patogene infeksjoner, dette arbeidet førte laboratoriet mitt inn i den fascinerende verden av plantemikrobiom.

Har planter mikrobiomer?

Når forskere sier at menneskelige "tarmbakterier" skal være godt balansert, refererer de til det genetiske materialet til alle mikrober som lever i menneskers fordøyelsessystemer, eller tarmmikrobiomet. Har planter også mikrobiomer? Svaret er ja.

Faktisk gir de delene av planten som vokser over jorden, kalt phyllosphere, og de delene som vokser under, kalt rhizosphere, et av de største habitatene for mikrobekolonisering på jorden. Begge er avgjørende for menneskeliv på jorden.

Fyllosfæren tar opp karbondioksid for fotosyntese, som er nødvendig for å bygge biomasse og er en primær kilde til mat, drivstoff, fibre og medisiner. Fotosyntese frigjør også oksygen for dyr og mennesker å puste, og det er derfor planter ofte blir ansett for å være lungene på planeten vår. Rhizosfæren tar derimot vann og næringsstoffer fra jord.

Tallrike studier har vist at plantemikrober hjelper planter å hente næringsstoffer fra jorden og takle tørke, patogener, insekter og andre påkjenninger.

Økologiske studier har også bemerket at jo større mangfold av mikrober som lever på planteblader, jo mer produktive synes plantene å være.

I dag mener de fleste planteforskere at globale strategier for å sikre avlingens produktivitet og matsikkerhet må ta hensyn til plantenes mikrobiom. FNs mat- og jordbruksorganisasjon anslår det opptil 40% av matavlingene går tapt på grunn av skadedyr og sykdommer årlig, og FNs generalforsamling erklærte 2020 som det internasjonale året for plantehelse.

Noen mikrober er assosiert med bladene og skuddene, mens et annet tydelig sett lever blant røttene. Sheng-Yang He, CC BY-SA

Hvordan holder planter mikrobiota sunn?

Gitt betydningen av mikrobiota - det spesifikke fellesskapet av mikrober som lever på eller i nærheten av planter - for plantehelsen, resonnerte vi at planter må ha utviklet et sofistikert genetisk nettverk for å velge riktig blanding av mikrober.

Hvis det er sant, kan det å vite hvilke plantegener som påvirker typer mikrober rundt planten, lede fremtidig forskning for å optimalisere plantemikrobiomer for å hjelpe planter å vokse bedre, sterkere og produsere mer biomasse og avling.

Faktisk har gruppen min nå identifisert noen av disse "mikrobiota-kontrollerende" gener i modellplanten Arabidopsis thaliana.

Vi fant ut at flere gener involvert i planteimmunitet og vannbalanse er avgjørende for å velge og opprettholde en sunn mikrobiota inni Arabidopsis planteblader.

Da vi fjernet disse identifiserte gener fra planter, ble Arabidopsis plantemutanter kunne ikke være vert for den rette blandingen av mikrober og viste symptomer på dysbiose, inkludert døde eller gulnende blader. Så vidt vi vet var dette første gang de negative effektene av dysbiose er kausalt dokumentert i planteriket.

[Du må forstå coronavirus-pandemien, så kan vi hjelpe. Les Samtaleens nyhetsbrev.]

Interessante trekk ved 'syke' planter

Mine kolleger og jeg observerte noen bemerkelsesverdige dysbiosefunksjoner i mutanten vår Arabidopsis planter.

For det første har dysbiosmutanter en tendens til å ha et unormalt høyt nivå av mikrober som lever inne i bladene.

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

For det andre er det en drastisk endring i mangfoldet av mikrober. For eksempel i det normale Arabidopsis planteblader, det er alle slags bakterier som lever inne i bladet. I kontrast er det totale mangfoldet av bakterier sterkt redusert i de dysbiotiske mutantene, noe som tyder på at sunne planter fremmer mikrobielt mangfold, antagelig for å øke fordelene for plantehelsen.

For det tredje, mens bakterier som tilhører fylum Fermicutes er rikelig i vill-type Arabidopsis blader, blir overfloden betydelig redusert i våre genetiske mutanter. I tillegg så vi en dramatisk økning i antall skadelige bakterier inne i dysbiose-mutante blader. Vi synes det er interessant at noen av disse mikrobiotaendringene også blir observert hos inflammatoriske tarmsykdommer hos mennesker, noe som antyder konseptuelle paralleller i utviklingen av dysbiose hos mennesker og planter.

Hva blir det neste?

Vi er glade for vår identifikasjon av flere plantegener og prosesser involvert i forebygging av dysbiose. De mikrobiota-kontrollerende genene vi identifiserte i Arabidopsis finnes i genomene til mange andre planter, noe som tyder på at funnene våre kan ha bred anvendelighet.

I fremtiden kan vi eksperimentere med å endre disse vertsgenene, noe som kan føre til mikrobiota-baserte tilnærminger som forbedrer plantehelsen. For eksempel kan genredigeringsteknologi brukes til å skape et sunt biom i planteblader ved å forbedre ekspresjon av spesifikke gener. Et syntetisk sunt mikrobiom kan formuleres som et probiotisk middel for å forhindre dysbiose i planter, mye som probiotika har blitt lovet å forbedre tarmens mikrobiomhelse.

Det er bemerkelsesverdig at mutasjoner i gener relatert til en persons immunsystem, er velkjente risikofaktor for utvikling av inflammatorisk tarmsykdom hos mennesker. Kanskje vil fremtidig forskning finne mer delte egenskaper i hvordan planter og mennesker samhandler med sin respektive mikrobiota for å forhindre sykdom.

Den enkle genetiske studien i planter, slik som Arabidopsis, gir også muligheten for at forskere vil kunne identifisere flere gener som er involvert i å bevare mikrobiotahelsen hos mennesker og planter.

om forfatteren

Sheng-Yang He, universitetets fremstående professor, HHMI etterforsker, Michigan State University

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

ing