Ученые выясняют, как выглядит здоровый человеческий микробиом, сопоставляя нормальные бактерии, которые живут в здоровом человеческом теле и на нем. А как насчет здорового растительного микробиома?
Существует ли хотя бы такая вещь, как здоровый растительный микробиом на сегодняшних сельскохозяйственных полях, где акры идентичных растений подвергаются нападению пестицидов и гербицидов и разрекламированы удобрениями?
В новом исследовании Калифорнийского университета в Беркли экологи-микробиологи использовали экспериментальную эволюцию, чтобы определить основной микробиом коммерческих томатов. Они отобрали те микробные таксоны, которые лучше всего выживали на растениях, а затем показали, что эти «одомашненные» микробные сообщества способны эффективно отбиваться от случайных микробов, попадающих на растения. Другими словами, эти отобранные сообщества выглядят как стабильный, здоровый микробиом растений, сродни тому, что крепкое растение помидора может передать своему потомству.
Результаты являются хорошей новостью для производителей, которые надеются, что манипуляции с микробиомом растений, возможно, с помощью пробиотиков, сделают поля более здоровыми, которым требуется меньше удобрений и пестицидов или пестицидов для получения хороших урожаев.
«Я вижу значение этой работы не только в пробиотиках, но и в руководстве сельскохозяйственной практикой», - сказал руководитель исследования Бритт Коскелла, доцент кафедры интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли.«Засаживая поля, мы должны думать о том, как то, что мы делаем - будь то возрастное структурирование культур или выращивание монокультур по сравнению с севооборотом, то, что находится в почве или что живет поблизости, - может повлиять на приобретение и здоровье растительного микробиома. Мы должны манипулировать условиями выращивания таким образом, чтобы микробная передача была больше похожа на то, что происходит естественным путем».
Коскелла, ведущий автор Норма Морелла, которая в настоящее время является научным сотрудником в Исследовательском центре рака Фреда Хатчинсона в Сиэтле, и их коллеги сообщили о своих выводах в Интернете на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)..
Как проростки получают микробиомы от своих матерей?
Коскелла изучает микробную экологию растений и то, как она влияет на здоровье растений, так же, как биологи изучают роль микробиома человека в здоровье. Сосредоточившись на сельскохозяйственных культурах, она испытывает те же опасения, что и биологи, беспокоящиеся о передаче здорового человеческого микробиома - кожи, кишечника и многого другого - от матери к ребенку.
Когда рассаду впервые высаживают в поле, например, часто поблизости нет взрослых растений, от которых они могут получить микробы листьев и стеблей. В отсутствие материнской передачи Коскелла задался вопросом, как эти растения приобретают свои микробиомы, и являются ли эти микробиомы идеальными для растущих растений?
И, если микробиомы плохо адаптированы - например, не устойчивы к болезнетворным микробам - можно ли их улучшить?
Эти вопросы становятся все более важными, поскольку производители и производители пытаются повысить урожайность и устойчивость, окружая семена желательными микробами, создавая сообщества микробов в почве или распыляя желаемые микробы на растущие растения.
Все больше данных также показывают, что микробиомы могут влиять на урожайность, устойчивость к засухе и даже время цветения растений. Можно ли улучшить микробиомы для достижения этой цели, и будут ли улучшенные микробиомы выживать достаточно долго, чтобы помочь растениям?
Новое исследование обнадеживает.
«Мы уже знаем, что теоретически можно отбирать микробы, которые выполняют определенные функции: например, повышение урожайности, засухоустойчивость или устойчивость к болезням», - сказал Коскелла. «Здесь мы показываем, что в принципе можно создать микробное сообщество, выполняющее интересующую вас функцию, но в то же время неприступное, потому что оно действительно хорошо приспособлено к этому растению».
Выращивание основного микробиома
Эксперименты исследователей, проведенные в теплицах Оксфордского тракта Калифорнийского университета в Беркли, включали в себя взятие пяти видов томатов и опрыскивание четырех последовательных поколений растений микробиомами предыдущего поколения. Первое поколение было опрыскано широким набором микробов, обнаруженных на различных помидорах на открытом поле в Калифорнийском университете в Дэвисе..
Воспитание микробного сообщества каждого вида томата в последовательных поколениях позволило ему адаптироваться к каждому сорту, в идеале отсеяв плохо адаптированные микробы и позволив хорошо адаптированным микробам процветать.
Путем секвенирования 16S рибосомных субъединиц микробных сообществ помидоров после каждого поколения - метод, который позволяет идентифицировать различные бактериальные таксоны - они смогли показать, что к четвертому поколению только 25% исходного микробного таксоны остались.
«Итак, 75 процентов первоначальных бактерий, которые мы распыляем, практически исчезают во время эксперимента», - сказал Коскелла. «Это действительно интересно само по себе, потому что предполагает, что многие микробы не очень хорошо адаптированы, они оказались там случайно. Ветер занес их туда, дождь забрызгал их там, но они не процветают, они, вероятно, не адаптированы к этой конкретной среде».
Остальные 25%, которые были очень похожи во всех независимых селекционных линиях и в пяти сортах томата, выглядели очень похожими на «основной» микробиом: ключевые микробы, необходимые для здорового растения.
Когда Морелла опрыскивал растения томата микробной смесью - половина из частично адаптированного микробиома первого поколения, половина из более зрелого микробиома четвертого поколения - микробы четвертого поколения взяли верх, предполагая, что они были гораздо лучше приспособлены к помидор.
Я думаю, что эта работа над помидорами подтверждает идею о том, что листовые бактерии, вероятно, очень своеобразны и обладают чертами, которые необходимы им для хорошего роста на этих растениях, и что сам факт того, что вы можете найти там что-то, может Это означает, что они существуют только временно и, вероятно, в процессе умирания», - сказал соавтор Стивен Линдоу, профессор биологии растений и микробов Калифорнийского университета в Беркли, который почти 50 лет занимается исследованием взаимодействия растений и патогенов. «Это очень согласуется с тем, что мы обнаружили ранее, что хорошие растения-колонисты могут расти на многих растениях и, таким образом, узурпировать способность кого-либо еще расти на них. Профилактический эффект определенно очень сильный, реальный и очень важный. в удержании других колонистов-растений».
«На самом деле вы хотите спросить: «Кто побеждает, когда вы ставите их лицом к лицу? Выбранный микробиом или невыбранный микробиом?», - сказал Коскелла. «Для меня это моя любимая часть всего эксперимента, и это был момент «ага!»: отбор работает, вы действительно можете выбрать для микробиома то, что он хорошо адаптирован и не подвергается вторжению, по крайней мере, в условиях, которые мы использовали для выбор."
Группа Коскеллы в настоящее время проводит дальнейшие эксперименты, чтобы определить, действительно ли выбранный микробиом улучшает здоровье, устойчивость и продуктивность растений, и можно ли успешно интегрировать пробиотические микробы в основной микробиом для получения долгосрочных преимуществ для урожая.
Работа выполнена при поддержке Национального научного фонда (DEB 1754494). Другими соавторами статьи являются Фрэнсис Ченг-Сюань Вен из Academia Sinica в Тайбэе, Тайвань, Пьер Жубер из Калифорнийского университета в Беркли и Джессика Меткалф из Принстонского университета.