В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые Мичиганского государственного университета показали, как гены растений выбирают, какие микробы должны жить внутри их листьев, чтобы оставаться здоровыми.
Это первое исследование, показывающее причинно-следственную связь между здоровьем растений и сборкой микробного сообщества в филлосфере - общей надземной части растений. Работа предполагает, что организмы, от растений до животных, могут иметь схожую стратегию контроля над своими микробиомами.
Исследования микробиома являются горячей темой в науке о здоровье человека. Когда ученые упоминают, что «кишечные бактерии» человека должны быть хорошо сбалансированы, они имеют в виду микробиом кишечника, генетический материал всех микробов, живущих в пищеварительной системе человека.
«Области крупномасштабных исследований микробиома растений всего около десяти лет», - сказал Шэн Ян Хэ, ведущий соавтор исследования, член Лаборатории исследований растений МГУ и Министерства энергетики США и Говард Хьюз. Исследователь медицинского института. «Мы хотим знать, нужен ли растениям правильно собранный филлосферный микробиом.
Гены растений: привратники микробов
«В природе растения бомбардируют миллионы микробов», - сказал Хе, заслуженный профессор университета, который работает по совместительству на кафедре биологии растений и кафедре микробиологии и молекулярной генетики в Колледже естественных наук МГУ.. «Если в растениях будет позволено расти всему, это, вероятно, будет беспорядок. Мы хотим знать, имеют ли значение количество и типы микробов, существует ли идеальный состав микробов. Если да, то есть ли у растений генетическая система, принимать и развивать правильный микробиом?"
Кажется, это растения. Недавно открытый механизм включает две генетические сети. Один задействует иммунную систему растений, а другой контролирует уровень гидратации внутри листьев. Обе сети работают вместе, чтобы выбрать, какие микробы выживают внутри листьев растений.
«Когда мы удаляем обе сети из растения, состав микробиома внутри листьев меняется», - сказал он. «Количество и сочетание типов бактерий ненормально, и наша команда видит симптомы повреждения тканей у растений».
«Симптомы концептуально похожи на симптомы, связанные с воспалительным заболеванием кишечника у людей», - сказал он. «Вероятно, это связано с тем, что задействованные гены являются древними с точки зрения эволюции. Эти гены обнаружены у большинства растений, а некоторые даже имеют сходство с генами, участвующими в иммунитете животных».
По словам ученых из лаборатории He, это может быть первое официальное описание болезни, связанной с дисбактериозом, в царстве растений. Тот факт, что концептуально это похоже на человеческое здоровье, предполагает фундаментальный процесс в жизни.
Разработка новой технологии для определения причинно-следственной связи
Причинно-следственная связь в исследованиях микробиомов трудно найти потому, что практически невозможно пробиться сквозь шум миллионов микробов.
Лаборатория Хе обошла эту проблему, разработав безмикробную камеру для выращивания, которую они называют гнотобиотической системой - средой для выращивания организмов, в которой все микроорганизмы либо известны, либо исключены.
«Очень немногие люди выращивали стерильное растение в стерильном, богатом органикой материале», - сказал он. «В нашей системе используется субстрат на основе торфа, похожий на почву, в основном почва для выращивания в теплицах. Мы используем тепло и давление, чтобы убить все микробы в почве, и растения могут расти в этих свободных от микробов условиях».
Исследователи затем могут контролируемым образом ввести микробы в эту среду.
«Вы можете добавить одну, две или даже группу бактерий», - сказал он. «В нашем исследовании мы извлекли сообщество бактерий из дисбиотических или больных растений и поместили их в наши здоровые растения, и наоборот. Мы обнаружили, что для здоровья растений необходимы как состав микробиома, так и генетические системы растений."
Например, растение с дефектной генетикой не может использовать преимущества микробиома, пересаженного от здорового растения. Микробиом медленно возвращался в состояние, вызывающее болезнь.
С другой стороны, здоровое растение, подвергшееся воздействию микробиома больного растения, также пострадало. Хотя у него были генетические инструменты для выбора нужных микробов, доступность микробов была ограниченной и ненормальной. Завод не мог исправить ситуацию.
Уровни и состав микробов имеют значение
Оказывается, увеличение разнообразия микробиома коррелирует со здоровьем растений. Каким-то образом гены растений являются привратниками, которые поощряют это разнообразие.
У больных растений в исследовании было в 100 раз больше микробов на листе по сравнению со здоровым растением. Но население было менее разнообразным. Чтобы выяснить, почему, ученые провели тысячи столкновений с бактериями один на один, чтобы определить, какие штаммы были агрессивными.
В больных растениях штаммы протеобактерий, многие из которых вредны для растений, подскочили с двух третей состава здорового микробиома до 96% в ненормальной популяции. Количество штаммов Fermicutes, многие из которых могут быть полезны для растений, сократилось.
«Возможно, когда популяция микробиома в этом больном растении аномально выше, микробы физически находятся слишком близко друг к другу», - сказал он. «Внезапно они начинают бороться за ресурсы, и агрессивные - в данном случае вредные - к сожалению, побеждают. Здоровые растения, кажется, предотвращают это поглощение».
Общая картина: поддержка здоровья растений
Исследование является еще одним примером того, как разнообразие важно для поддержания здоровых живых систем. Каждый тип микробов может приносить растениям различные преимущества, такие как повышение иммунитета, стрессоустойчивость или поглощение питательных веществ.
Ученые, такие как Хе, хотят иметь возможность манипулировать генетической системой растений, чтобы реконфигурировать микробиом растений. Растения могут стать более эффективными в выборе своих микробных партнеров и испытать улучшение здоровья, устойчивости и продуктивности растений.
"Наша область еще молода", сказал он.«Исследования микробиома, как правило, сосредоточены на бактериях кишечника человека. Но гораздо больше бактерий живут на листьях растений, в легких нашей планеты. Было бы замечательно понять, как микробы влияют на здоровье филлосферы в естественных экосистемах и полях».