Sağlıklı bir vahşi tip Arabidopsis bitkisi (solda) ve bir mikrop dengesizliğinden muzdarip bir mutant bitki (sağda). Sheng-Yang He, CC BY-SA

Çoğumuz duyduk inflamatuvar barsak hastalığıBağırsak mikrobiyomu olarak bilinen, insan bağırsağındaki anormal mikrop koleksiyonuyla ilişkili zayıflatıcı bir durum. Laboratuvarım Son zamanlarda, insanlar gibi bitkilerin de disbiyoz olarak bilinen bu durumu ciddi sonuçlarla geliştirebileceğini keşfetti.

Bir parçası olarak Bu çalışmada, meslektaşlarım ve ben, bitkilerdeki disbiyozun kontrolünde yer alan bazı genlerin ve süreçlerin insanlardakine benzer olabileceğini keşfettik. Bitki krallığındaki disbiyoz keşfi, bitki sağlığı ve küresel gıda güvenliğinde yeniliği teşvik etmek için yeni olanaklar sağlar.

Ben bir bitki mikrobiyoloğuyum bitkilerin ve mikropların birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğiyle ilgileniyor. Geçmişteki araştırmamız, patojenik enfeksiyonların moleküler ayrıntıları, bu çalışma laboratuvarımı bitki mikrobiyomunun büyüleyici dünyasına götürdü.

Bitkilerin mikrobiyomları var mı?

Bilim adamları insan "bağırsak bakterilerinin" dengeli olması gerektiğini söylediklerinde, insan sindirim sistemlerinde yaşayan tüm mikropların genetik materyaline veya bağırsak mikrobiyomuna atıfta bulunuyorlar. Bitkilerin mikrobiyomları da var mı? Cevap Evet.

Aslında, bitkinin filosfer adı verilen yer üstünde büyüyen kısımları ve aşağıda büyüyen kısımları rizosfer adı verilen, dünyadaki mikrop kolonizasyonu için en büyük habitatlardan birini sağlar. Her ikisi de Dünya'daki insan yaşamı için hayati öneme sahiptir.

Filosfer, biyokütle oluşturmak için gerekli olan ve birincil gıda, yakıt, lif ve ilaç kaynağı olan fotosentez için karbondioksiti alır. Fotosentez ayrıca hayvanların ve insanların nefes alması için oksijen açığa çıkarır, bu nedenle bitkiler genellikle gezegenimizin akciğerleri olarak kabul edilir. Öte yandan rizosfer, topraktan su ve besinleri alır.

Çeşitli çalışmalar bitki mikroplarının bitkilerin topraktan besinleri çıkarmalarına ve kuraklık, patojenler, böcekler ve diğer streslerle başa çıkmalarına yardımcı olduğunu göstermiştir.

Ekolojik çalışmalar ayrıca bitki yapraklarında yaşayan mikropların çeşitliliği arttıkça bitkilerin daha verimli göründüğünü de belirtmişlerdir.

Günümüzde çoğu bitki bilimcisi, mahsul verimliliğini ve gıda güvenliğini sağlamak için küresel stratejilerin bitkilerin mikrobiyomunu dikkate alması gerektiğine inanıyor. BM'nin Gıda ve Tarım Örgütü tahmin ediyor ki gıda ürünlerinin% 40'ına kadar bitki zararlıları ve hastalıkları nedeniyle her yıl kaybolmaktadır ve Birleşmiş Milletler Genel Kurulu 2020'yi Uluslararası Bitki Sağlığı Yılı ilan etmiştir.

Bazı mikroplar yapraklar ve sürgünlerle ilişkilendirilirken, kökler arasında başka bir farklı küme yaşar. Sheng-Yang He, CC BY-SA

Bitkiler mikrobiyotayı nasıl sağlıklı tutar?

Mikrobiyotanın - bitkiler üzerinde ya da yakınında yaşayan belirli mikroplar topluluğu - bitki sağlığı için önemi göz önüne alındığında, bitkilerin doğru mikrop karışımını seçmek için gelişmiş bir genetik ağ geliştirmiş olması gerektiğine karar verdik.

Bu doğruysa, hangi bitki genlerinin bitkiyi çevreleyen mikrop türlerini etkilediğini bilmek, bitkilerin daha iyi, daha güçlü büyümesine ve daha fazla biyokütle ve verim üretmesine yardımcı olmak için bitki mikrobiyomlarını optimize etmek için gelecekteki araştırmalara rehberlik edebilir.

Aslında, grubum şimdi model bitkide bu “mikrobiyotayı kontrol eden” genlerin bazılarını tanımladı. Arabidopsis thaliana.

Birkaç genin Bitki bağışıklığına ve su dengesine dahil olan, içeride sağlıklı bir mikrobiyota seçmek ve sürdürmek için kritiktir. Arabidopsis bitki yaprakları.

Bu tanımlanmış genleri bitkilerden çıkardığımızda, Arabidopsis bitki mutantları doğru mikrop karışımını barındıramadılar ve ölü veya sararmış yapraklar dahil olmak üzere disbiyoz semptomları sergiledi. Bildiğimiz kadarıyla bu, ilk kez dysbiosis'in olumsuz etkileri nedensel olarak belgelendi bitki krallığında.

[Koronavirüs pandemisini anlamanız gerekiyor ve size yardımcı olabiliriz. Konuşmanın bültenini okuyun.]

'Hasta' bitkilerin ilginç özellikleri

Meslektaşlarım ve ben, mutantımızda bazı önemli dysbiosis özellikleri gözlemledik. Arabidopsis bitkiler.

İlk olarak, dysbiosis mutantları, yaprakların içinde yaşayan anormal derecede yüksek mikroplara sahip olma eğilimindedir.

Sağlıklı bir Arabidopsis bitkisinden bir yaprak (solda) ve bir dysbiosis mutant bitkisinden bir yaprak (sağda). Sheng-Yang He, CC BY-SA

İkincisi, mikrop çeşitliliğinde büyük bir değişiklik var. Örneğin, normal olarak Arabidopsis bitki yaprakları, yaprağın içinde yaşayan her türlü bakteri vardır. Bunun tersine, disbiyotik mutantlarda genel bakteri çeşitliliği büyük ölçüde azalır, bu da sağlıklı bitkilerin mikrobiyal çeşitliliği teşvik ettiğini ve muhtemelen bitki sağlığına faydalarını arttırdığını gösterir.

Üçüncüsü, filuma ait olan bakteriler Fermikütler vahşi tipte bol miktarda bulunur Arabidopsis yaprakları, genetik mutantlarımızdaki bolluk önemli ölçüde azalır. Ek olarak, dysbiosis mutant yapraklarındaki zararlı bakteri sayısında dramatik bir artış gördük. Bu mikrobiyota değişikliklerinin bazılarının enflamatuar bağırsak hastalığı olan insan hastalarda da gözlenmesini ilginç buluyoruz, bu da insanlarda ve bitkilerde dysbiosis gelişiminde kavramsal paralellikler olduğunu düşündürüyor.

Sıradaki ne?

Disbiyozun önlenmesinde yer alan çeşitli bitki genlerini ve süreçlerini tanımlamamız bizi heyecanlandırıyor. Tanımladığımız mikrobiyotayı kontrol eden genler Arabidopsis Diğer birçok bitkinin genomlarında bulunur, bu da bulgularımızın geniş bir uygulanabilirliğe sahip olabileceğini düşündürür.

Gelecekte, bitki sağlığını iyileştiren mikrobiyota temelli yaklaşımlara yol açabilecek bu konakçı genleri değiştirmeyi deneyebiliriz. Örneğin, gen düzenleme teknolojileri, belirli genlerin ekspresyonunu artırarak bitki yapraklarında sağlıklı bir biyom oluşturmak için kullanılabilir. Sentetik, sağlıklı bir mikrobiyom, bitkilerde disbiyozu önlemek için bir probiyotik olarak formüle edilebilir. probiyotiklerin insan bağırsağı mikrobiyom sağlığını iyileştirme sözü verildi.

Bir kişinin bağışıklık sistemiyle ilgili genlerdeki mutasyonlar, iyi bilinmektedir. enflamatuar bağırsak hastalığının gelişimi için risk faktörü insanlarda. Belki de gelecekteki araştırmalar, bitkilerin ve insanların hastalıkları önlemek için kendi mikrobiyotalarıyla nasıl etkileşime girdiğine dair daha fazla ortak özellikler bulacaktır.

Arabidopsis gibi bitkilerdeki genetik çalışmaların kolaylığı, araştırmacıların insanlarda ve bitkilerde mikrobiyota sağlığının korunmasına dahil olan daha fazla geni belirleyebilme olasılığını da sunuyor.

Yazar Hakkında

Sheng-Yang He, Üniversite Değerli Profesörü, HHMI Araştırmacısı, Michigan State University

Bu makale şu adresten yeniden yayınlandı: Konuşma Creative Commons lisansı altında. Okumak Orijinal makale.

ing