En funktionel genomikdatabase til plantemikrobiomundersøgelser

Efterhånden som den globale befolkning stiger, estimeret til at ramme næsten 10 milliarder i 2050, det samme gør behovet for at øge afgrødeudbyttet og producere nok plantemateriale til både fødevarer og bæredygtige alternative brændstoffer. For at hjælpe med at forbedre afgrødeforædlingsstrategier og overvinde udfordringer såsom at gøre planterne mere tolerante over for marginale arealer, og stress såsom tørke og lav tilgængelighed af næringsstoffer, forskere fokuserer på at forstå og fremme gavnlige plante-mikrobe-forhold.

Udgivet 18. december, 2017 udgave i Naturgenetik , et hold ledet af forskere ved U.S. Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI), en DOE Office of Science brugerfacilitet, og Howard Hughes Medical Institute ved University of North Carolina i Chapel Hill (UNC) har udnyttet et katalog over bakterielle genomer til at identificere og karakterisere kandidatgener, der hjælper bakterier med at tilpasse sig plantemiljøer, specifikt gener involveret i bakteriel rodkolonisering.

De fleste af undersøgelserne på området til dato har fokuseret på fællesskabsstrukturen af ​​plantemikrobiomet, dvs. "hvem er der, " og mindre om funktionen, dvs. "hvad de laver, hvordan og hvornår de gør det." Tidligere undersøgelser, der har overvejet funktion, har hovedsageligt set på en enkelt vært-mikrobe-interaktion, såsom den mellem en Arabidopsis-plante og et patogen.

"Hvis vi ønsker at konstruere det rigtige mikrobiom til at understøtte plantevækst, vi skal forstå mikrobiomets virkelige funktion og ikke kun sekvensmarkørgener, " sagde undersøgelsens co-første forfatter Asaf Levy, en forsker ved JGI. "Her brugte vi en massiv genomisk og beregningsmæssig indsats for at løse det grundlæggende og vigtige spørgsmål:'Hvordan interagerer plantemikrobiomet med planten?"

Det meste af interaktionen mellem mikrober og planter sker ved grænsefladen mellem rødderne og jorden. Forskere fra UNC, Oak Ridge National Lab, og Max Planck Institute isolerede nye bakterier fra rodmiljøet i Brassicaceae (191), poppeltræer (135), og majs (51). Genomerne af disse 377 bakterieisolater, plus yderligere 107 enkelte bakterieceller fra rødderne af A. thaliana, blev derefter sekventeret, samlet, og kommenteret på JGI.

Forfatterne kombinerede derefter de nye genomer med tusindvis af offentligt tilgængelige genomer, der repræsenterer hovedgrupperne af planteassocierede bakterier, og inkluderede bakterier fra flere plante- og ikke-plantemiljøer, såsom den menneskelige tarm, til sammenligning. Den resulterende database med 3837 genomer, 1160 af dem er fra planter, blev brugt i en komparativ genomisk analyse.

Forskerne identificerede derefter gener, der er beriget i genomerne af planteassocierede og rodassocierede organismer.

"Det er meget vigtigt for os at forstå, hvilke gener og funktioner mikrober bruger til at kolonisere planter, fordi først da kan vi have en chance for rationelt at udtænke nyttige "planteprobiotika" for at hjælpe os med at dyrke flere mad- og energiafgrøder med færre kemiske input, såsom gødning og pesticider eller fungicider, " sagde seniorforfatter af undersøgelsen Jeff Dangl, en Howard Hughes Medical Institute-forsker og John N. Couch-professor i biologi ved University of North Carolina i Chapel Hill

Blandt de vigtigste indsigter opnået fra undersøgelsen var, at plante- og jord-associerede genomer har tendens til at være større end kontrolgenomer fra den samme klade. Dette viste sig til dels at skyldes berigelse af gener involveret i sukkermetabolisme og transport, sandsynligvis en tilpasning til fotosyntese-afledt plantekulstof, genereret af naturens "slikfabrikker, " sagde Asaf Levy. Op til 20% af det kulstof, som planter fikserer gennem fotosyntese, udskilles gennem rødderne som sukkerarter for at tiltrække mikrober.

Adskillige gener, der ser ud til at efterligne plantefunktioner - ved at kode for "Plante-lignende PA- og RA-domæner" eller PREPARADO'er - blev også identificeret. "Det er velkendt, at plantepatogener bruger proteiner, der efterligner plantedomæner, der er nødvendige for immunfunktionen, " sagde Dangl. "Forestil dig, at patogenet injicerer direkte ind i plantecellen et protein, der efterligner en del af en bestemt immunsystemmaskine. Det er som at sætte et delvist defekt tandhjul ind i et hjul – hjulene kan ikke dreje mere. Vi regner med, at de plante-associerede proteindomæner, som vi identificerede, kan fungere på samme måde."

Hurtigt udviklende gener er ofte en signatur på et molekylært våbenkapløb mellem organismer, der deler et miljø. Disse gener bruges ofte i angreb eller forsvar mod andre organismer. To nye hurtigt udviklende proteinfamilier forbundet med forskellige "livsstile" for beslægtede plante-associerede bakterier blev identificeret i undersøgelsen. En, findes i kommensale bakterier, blev døbt "Jekyll"; den anden, findes i patogene bakterier, blev navngivet "Hyde". Med samarbejdspartnere fra Virginia Tech og ETH (Schweiz), JGI-forskere opdagede, at sidstnævnte er meget effektive til at dræbe konkurrerende bakterier, potentielt for at hjælpe disse "hyder" med at overtage bladnichen.

Det komplette katalog over nye genomer og planteassocierede gener er tilgængeligt for forskersamfundet gennem en dedikeret webportal:Genomic Features of Bacterial Adaptation to Plants.

"Databasen er en værdifuld ressource for forskersamfundet, der studerer plante-mikrobe-interaktioner, da det er en upartisk måde at identificere potentielt interessante gener involveret i interaktion med en plante - herunder mange helt nye gener. Vi studerer i øjeblikket eksperimentelt funktionen af ​​mange af disse gener for at få en bedre funktionel forståelse af plantemikrobiomet." sagde Levy.