Svamperesistens i planter forbundet med arvelige forskelle i mikrobiota-overflod

Solsikker er ikke kun smukke sommersymboler – de er også økonomisk betydningsfulde og rangerer som den fjerdevigtigste oliefrøafgrøde i verden, og ny forskning tyder på, at nogle bakterier kan hjælpe med at beskytte afgrøden mod ødelæggelse af hvidskimmel.

Solsikker kan høstes til en række produkter, herunder frø og olie, som forbrugernes efterspørgsel er steget markant i de senere år. De kan også bidrage til klimaresiliens, bemærker forskere, da de kan tilpasse sig forskellige vejrforhold, og solsikkespirer indeholder næringsstoffer, der kan fremme menneskers sundhed.

Desværre er solsikker, ligesom mange andre planter, modtagelige for sygdomme, som kan forårsage betydelige afgrødetab. For eksempel er hvid skimmel, som er forårsaget af svampepatogenet Sclerotinia sclerotiorum, ansvarlig for gennemsnitlige årlige solsikkeafgrødetab på mere end 1%. Det kan også påvirke bønner, auberginer, salat, jordnødder, kartofler og sojabønner, og i nogle tilfælde ødelægge 100 % af afgrøderne.

Mens tilgangen til håndtering af sygdomme som hvidskimmel typisk har fokuseret på plantegenetik, er en undersøgelse offentliggjort i Molecular Ecology og ledet af University of Colorado Boulder forskere antyder, at samfundet af mikroskopiske organismer omkring planternes rødder også spiller en stor rolle, og at plantegenetisk variation faktisk påvirker associerede mikrobiomer.

Mark- og drivhusforsøg

Forskningen omfattede et drivhusstudie samt et felteksperiment, som forskerne udførte ved hjælp af forskellige racer af solsikker, hvis DNA de udtog og sekventerede.

Tyve planter af hver solsikkerace blev dyrket på et enkelt felt, som forskerne forventede at indeholde mikrober, der var fjendtlige over for Sclerotinia-patogenet. Nogle af planterne var inficerede, mens andre ikke var, hvilket var nødvendigt for at skelne mellem mikrober, der var relevante for undersøgelsen, og dem, der udnyttede vævsdøden forårsaget af Sclerotinia.

I drivhusforsøget blev solsikker dyrket i jord taget fra det samme miljø, som blev brugt i markforsøget, hvoraf halvdelen var blevet steriliseret for at fjerne eventuelle mikrober.

Planterne blev inficeret og evalueret for deres modstandsdygtighed over for sygdommen, hvilket gjorde det muligt for forskere at bestemme mikrobernes betydning for de resultater, som forskellige solsikkeracer oplevede i felteksperimentet. Hvis solsikker dyrket i steril jord var mindre modstandsdygtige over for sygdomme, ville dette vise, at mikroberne bidrog til sygdomsresistens til deres planter.

Forskerne fandt ud af, at 42 typer mikrober var forbundet med sygdomsresistens. Drivhuseksperimentet viste, at disse mikrober er meget vigtige for plantesygdomsresistens, da solsikkerne i steril jord døde så mange som 19 dage tidligere end deres modstykker.

Dernæst var overflod af de vigtigste mikrober forbundet med de forskellige planters genetiske karakteristika, og forskere fandt ud af, at visse gener svarede til en øget forekomst af mikroberne.

Alt dette tyder på, at forskellige racer af solsikke har tilpasset sig genetisk for at øge antallet af nyttige mikrober i nærliggende jord og derved forbedre deres modstandsdygtighed over for hvid skimmel, konkluderede forskerne. Da sammenhængen mellem plante og mikrobe er genetisk, kan den nedarves, og det er derfor muligt at dyrke denne resistens gennem blandt andet avl.

Mikrober og plantesygdomsresistens

Før undersøgelsen var det uklart, hvor stor effekt mikrobielle samfund har på plantesygdomsresistens, siger Nolan Kane, en CU Boulder lektor i økologi og evolutionær biologi og noteret solsikkeforsker.

"Der er helt sikkert nogle dokumenterede tilfælde af, at dette er vigtigt," siger han, "men for de fleste patogener har planter den rigtige allel ved dette ene gen, og de vil være resistente over for det patogen, og hvis de ikke har højre allel, så vil de være modtagelige.

"(Mennesker) har et meget komplekst immunsystem, der kan genkende nye proteiner hele tiden. Planter har et meget anderledes immunsystem, der ofte bliver forenklet ned til kun ét gen, der detekterer patogenet. Hvis patogenproteinet er en version af genet. kan opdage, så vil planten være modstandsdygtig, men hvis der ikke er det rigtige match, vil planten være modtagelig."

I modsætning til menneskets immunsystemer, registrerer planters immunsystemer ikke alle mikrober, de har bekæmpet. I stedet genkender de molekylære mønstre forbundet med sygdom ved hjælp af specialiserede receptorer. Hver type receptor kan kun interagere med molekyler af bestemte former, som passer sammen som matchende puslespilsbrikker. Når først denne kontakt er lavet, signalerer receptoren et forsvarsrespons.

I tilfældet med de solsikker, som Kane og hans forskerkolleger undersøgte, i det mindste for Sclerotinia, er tingene mere komplicerede. "Dette var et tilfælde, hvor vi virkelig troede, at der kunne være en vigtig rolle for mikrobiomet eller en anden miljøkomponent," siger Kane. Som forskerne opdagede, var fire typer bakterier stærkt korreleret med solsikkers resistens over for svampepatogenet, hvilket tyder på, at deres intuition var korrekt.

Kane siger imidlertid:"Der var en masse mikrober, der var korreleret med hinanden," hvilket betyder, at effekten kunne være et resultat af hele samfundet i stedet for blot disse fire typer bakterier, som kaldes operationelle taksonomiske enheder (OTU'er).

Alligevel fortsætter Kane, "De fire, vi fremhævede, er stærkest korreleret med patogenresistens, og når vi kontrollerer for disse fire, var ingen af ​​de andre korrelerede OTU'er signifikante i forbindelse med sygdommen," selvom de fire vigtigste bakterier sandsynligvis ikke kunne forbedre sygdomsresistens individuelt, da "mange af disse mikrober ikke vokser særlig godt af sig selv eller ikke opfører sig på samme måde, når de dyrkes alene."

Plante/mikrobe symbiose

Forskerne fandt ud af, at jo flere af disse fire bakterier, der var i jorden omkring planterne, jo bedre klarede de sig mod Sclerotinia sclerotiorum. Så hvordan er planter i stand til at drage fordel af disse bakterier, og hvad har det med plantegenetik at gøre?

Som det viser sig, kan planter dyrke et fællesskab af nyttige mikrober i området med jord omkring deres rødder, som er kendt som rhizosfæren.

"Generelt er der forbindelser, som planter kan udskille, som enten hæmmer visse mikrober eller fremmer deres vækst," forklarer Kane. Fotosyntese, den proces, som planter bruger til at omdanne lys til brugbar energi, producerer en masse kulhydratmolekyler som sukker og stivelse.

Af denne grund siger Kane:"Mange af deres interaktioner med mikrober involverer sukker eller kulhydrater givet af planterne, og planterne har gavn af at få nitrogen eller noget andet, som de har brug for tilbage."

Planter har lignende former for symbiotiske forhold til svampe, som de har gavn af at fremme. Nitrogen er blot et eksempel på de fordele, som planter får fra deres symbiotiske relationer:"I den undersøgelse, vi lavede, ved vi ikke, at det nødvendigvis er den samme mekanisme, men det er sandsynligt, at der er en slags rodeksudater, der formerer mikrobiomet," siger Kane. "Det er en af ​​de vigtigste mekanismer, planter bruger."

Den måde, planter interagerer med mikrober i rhizosfæren, afhænger af deres gener. Af denne grund var forskerne i stand til at forbinde de fire typer bakterier med meget specifikke dele af solsikkernes genetiske koder.

Associationer med mikrober

Undersøgelsen havde også andre væsentlige resultater. Det viste, at fire af de 40 solsikkeprøver, der blev undersøgt, modstod Sclerotinia selv uden beskyttelse af nyttige bakterier. De klarede sig dårligere i steriliseret jord end jord med bakterier, men havde det væsentligt bedre end de andre prøver.

"Det kunne være en form for evne til at reagere på patogenet på måder, der var beskyttende," siger Kane. "Vi ved endnu ikke, om det ville være et nyttigt avlsmål, fordi der kunne være afvejninger, eller det kunne have begrænsede eller ingen beskyttende virkninger under normale forhold." Alligevel "viser det, at hele historien ikke kun er mikroberne. Der er en vigtig komponent, selvom den er mindre, relateret til den iboende plantegenetik."

Forskningen inspirerede til yderligere spørgsmål om omkostningerne og fordelene ved symbiosen med mikroberne, de molekylære mekanismer, der er ansvarlige for variationen af ​​symbiosen, og betydningen af ​​interaktioner mellem genotype og miljøfaktorer.

Kane siger, at han og hans forskerkolleger "kigger på nogle af disse linjer i mere forskellige miljøer i hele USA og forsøger at identificere, om disse mikrobielle associationer er meget generelle på tværs af en bred vifte af miljøer, eller om de er meget specifikke for kun ét miljø."

Da disse undersøgelser udføres på landmænds marker, vil de undersøgte planter ikke blive udsat for patogener. I stedet vil forskerne fokusere på planternes associationer til mikroberne, siger Kane.

På samme måde siger Kane:"At se disse genetiske effekter i dette ene miljø på så mange forskellige mikrober var virkelig spændende, fordi det tyder på, at de solsikker, som vi brugte i denne undersøgelse, har nogle interessante variationer, der kan forbindes med en lang række forskellige egenskaber, som vi så ikke på, men at det ville være rigtig spændende at se på i det fremtidige arbejde."

En masse afgrøder har mistet nogle af deres mikrobielle associationer gennem avl, siger Kane, men det var ikke et problem med undersøgelsens befolkning, hvilket gør det potentielt værdifuldt for fremtidig forskning.

Undersøgelsen giver dog stadig en idé om, hvordan mikrobielle foreninger kan bruges til at beskytte planter på egen hånd. Den mest ligetil måde at gøre dette på er ved selektivt at avle planter for de gener, der svarer til øget overflod af nyttige mikrober i rhizosfæren.

"Ud over avlen," forklarer Kane, "kan forskellig landbrugspraksis og miljøpraksis fremme hjælpsomme lokalsamfund eller hæmme skadelige samfund." I tilfælde, hvor de nyttige mikrober ikke allerede er til stede, kan det også være vigtigt at anvende dem på felter.

"Det ville sandsynligvis være en kombination af mere end én af de forskellige ting," siger Kane. Der er nogle bioteknologiske virksomheder, der allerede arbejder på gavnlige mikrobielle "sammensætninger" til nogle afgrøder, som kunne påføres marker eller overtrækkes på plantefrø.

Denne undersøgelse "kunne hjælpe, helt sikkert med solsikkeavl," konkluderer Kane, men også "hjælpe os til at forstå, hvordan man mere effektivt opdrætter andre arter, og også nogle grundlæggende videnskaber om, ikke bare hvordan planter interagerer med deres miljø, men hvordan hele samfundet under jorden arbejder for at påvirke denne interaktion."

Flere oplysninger: Cloe S. Pogoda et al., Arvelige forskelle i overflod af bakterielle rhizosfæretaxa er korreleret med fungale nekrotrofisk patogenresistens, Molecular Ecology (2023). DOI:10.1111/mec.17218

Journaloplysninger: Molekylær økologi

Leveret af University of Colorado at Boulder