_ Rezistența fungică a plantelor asociate cu diferențele ereditare în abundența microbiotei

Floarea-soarelui nu sunt doar simboluri frumoase ale verii, ci sunt și semnificative din punct de vedere economic, fiind a patra cea mai importantă cultură de semințe oleaginoase din lume, iar noi cercetări sugerează că unele bacterii ar putea ajuta la protejarea recolta de la distrugerea mucegaiului alb.

Floarea-soarelui poate fi recoltată pentru o serie de produse, inclusiv semințe și ulei, pentru care cererea consumatorilor a crescut semnificativ în ultimii ani. Ele pot contribui, de asemenea, la rezistența la climă, notează cercetătorii, deoarece se pot adapta la diferite condiții meteorologice, iar mugurii de floarea-soarelui conțin nutrienți care pot promova sănătatea umană.

Din păcate, la fel ca multe alte plante, floarea soarelui este susceptibilă la boli. , care poate provoca pierderi semnificative de recoltă. De exemplu, mucegaiul alb, care este cauzat de agentul patogen fungic Sclerotinia sclerotiorum, este responsabil pentru pierderile medii anuale ale recoltei de floarea-soarelui de peste 1%. De asemenea, poate afecta fasolea, vinetele, salata verde, arahidele, cartofii și soia, în unele cazuri distrugând 100% din culturi.

În timp ce abordarea gestionării bolilor precum mucegaiul alb s-a concentrat de obicei pe genetica plantelor, un Studiul publicat în Molecular Ecology și condus de cercetătorii de la Universitatea din Colorado Boulder sugerează că comunitățile de organisme microscopice din jurul rădăcinilor plantelor joacă, de asemenea, un rol major și că variația genetică a plantelor afectează, de fapt, microbiomii asociați.

Cercetarea a inclus un studiu în seră, precum și un experiment pe teren pe care cercetătorii l-au efectuat folosind diferite rase de floarea-soarelui al căror ADN l-au extras și secvențiat.

Douăzeci de plante din fiecare rasă de floarea-soarelui au fost cultivate într-un singur câmp care cercetătorii se așteptau să conțină microbi ostili agentului patogen Sclerotinia. Unele dintre plante au fost infectate, în timp ce altele nu, ceea ce a fost necesar pentru a face distincția între microbii care erau relevanți pentru studiu și cei care profitau de moartea țesuturilor cauzată de Sclerotinia.

În experimentul cu seră, floarea-soarelui au fost cultivate în sol prelevat din același mediu folosit în experimentul de teren, dintre care jumătate au fost sterilizate pentru a elimina orice microbi.

Plantele au fost infectate și evaluate pentru rezistența lor la boală, permițând cercetătorilor să determine semnificația microbilor pentru rezultatele pe care diferite rase de floarea soarelui le-au experimentat în experimentul de teren. Dacă floarea soarelui cultivată în sol steril ar fi mai puțin rezistente la boli, acest lucru ar arăta că microbii confereau rezistență la boli plantelor lor.

Cercetătorii au aflat că 42 de tipuri de microbi au fost asociate cu rezistența la boli. Experimentul cu efect de seră a arătat că acești microbi sunt foarte importanți pentru rezistența la bolile plantelor, deoarece floarea-soarelui din sol steril au murit cu până la 19 zile mai devreme decât omologii lor.

În continuare, abundența microbilor principali a fost asociată cu caracteristicile genetice ale diferitelor plante, iar cercetătorii au descoperit că anumite gene corespundeau cu o abundență crescută a microbilor.

Totul acesta sugerează că diferite rase de floarea soarelui s-au adaptat genetic pentru a crește numărul de microbi folositori din apropiere. solului și, prin urmare, le îmbunătățesc rezistența la mucegaiul alb, au concluzionat cercetătorii. Deoarece asocierea dintre plantă și microbi este genetică, poate fi moștenită și, prin urmare, este posibil să se cultive această rezistență prin reproducere, printre alte metode.

Înainte de studiu, nu era clar cât de mult efect au comunitățile microbiene. privind rezistența la bolile plantelor, spune Nolan Kane, profesor asociat de ecologie și biologie evolutivă din CU Boulder și cercetător remarcat despre floarea-soarelui.

„Cu siguranță există câteva cazuri documentate în care acest lucru este important”, spune el, „dar pentru majoritatea agenților patogeni, plantele au alela potrivită la această genă și vor fi rezistente la acel agent patogen și dacă nu au alela potrivită, atunci vor fi susceptibili.

„(Oamenii) au un sistem imunitar foarte complex care poate recunoaște noi proteine ​​tot timpul. Plantele au un sistem imunitar foarte diferit, care adesea se simplifică la o singură genă care detectează agentul patogen. Dacă proteina patogenă este o versiune pe care gena o poate detecta, atunci planta va fi rezistentă, dar dacă nu există potrivirea potrivită, planta va fi susceptibilă.”

Spre deosebire de sistemul imunitar uman, sistemul imunitar al plantelor. Nu țin evidența fiecărui microbi pe care l-au luptat, în schimb, ei recunosc tiparele moleculare asociate cu boala, folosind receptori specializați, care pot interacționa numai cu molecule de forme particulare, care se potrivesc împreună cu piesele de puzzle se face, receptorul semnalează un răspuns de apărare.

În cazul floarea-soarelui pe care Kane și colegii săi de cercetare le-au studiat, cel puțin pentru Sclerotinia, lucrurile sunt mai complicate „Acesta a fost un caz în care ne-am gândit cu adevărat ar putea exista un rol important pentru microbiom sau pentru o altă componentă de mediu", spune Kane. După cum au descoperit cercetătorii, patru tipuri de bacterii au fost strâns corelate cu rezistența floarea-soarelui la agentul patogen fungic, sugerând că intuiția lor era corectă.

Cu toate acestea, spune Kane, „Au fost o mulțime de microbi care au fost corelați între ei”, ceea ce înseamnă că efectul ar putea fi rezultatul întregii comunități, mai degrabă decât doar aceste patru tipuri de bacterii, care sunt numite unități taxonomice operaționale ( OTU).

Totuși, continuă Kane, „Cele patru pe care le-am evidențiat sunt cel mai strâns corelate cu rezistența la patogeni, iar când controlăm cele patru, niciuna dintre celelalte OTU corelate nu a fost semnificativă în asociere cu boala. ”, deși probabil că principalele patru bacterii nu ar putea îmbunătăți rezistența la boli în mod individual, deoarece „mulți dintre acești microbi nu cresc foarte bine singuri sau nu se comportă la fel când sunt cultivați singuri.”

Cercetătorii au descoperit că, cu cât erau mai multe dintre aceste patru bacterii în solul din jurul plantelor, cu atât s-au descurcat mai bine împotriva Sclerotinia sclerotiorum. Deci, cum sunt plantele capabile să profite de aceste bacterii și ce legătură are aceasta cu genetica plantelor?

După ce se dovedește, plantele pot cultiva o comunitate de microbi utili în zona solului din jur rădăcinile lor, care este cunoscută sub numele de rizosferă.

„În general, există compuși pe care plantele îi pot secreta care fie inhibă anumiți microbi, fie le promovează creșterea”, explică Kane. Fotosinteza, procesul pe care plantele îl folosesc pentru a transforma lumina în energie utilizabilă, produce o mulțime de molecule de carbohidrați, cum ar fi zaharuri și amidon.

Din acest motiv, Kane spune: „Multe dintre interacțiunile lor cu microbii implică zaharuri sau carbohidrații dați de plante, iar plantele beneficiază obținând azot sau orice alt lucru de care au nevoie înapoi.”

Plantele au tipuri similare de relații simbiotice cu ciupercile pe care le promovează. Azotul este doar un exemplu al beneficiilor pe care plantele le obțin din relațiile lor simbiotice: „În studiul pe care l-am făcut, nu știm că este neapărat același mecanism, dar este probabil să existe un fel de exsudate de rădăcină care se modelează. microbiomul”, spune Kane. „Acesta este unul dintre mecanismele cheie pe care plantele le folosesc.”

Modul în care plantele interacționează cu microbii din rizosferă depinde de genele lor. Din acest motiv, cercetătorii au reușit să asocieze cele patru tipuri de bacterii cu părți foarte specifice ale codurilor genetice ale floarea-soarelui.

Studiul a avut și alte constatări semnificative. Ea a arătat că patru din cele 40 de mostre de floarea soarelui studiate au rezistat Sclerotiniei chiar și fără protecția bacteriilor utile. Au avut rezultate mai proaste în sol steril decât în ​​sol cu ​​bacterii, dar au fost semnificativ mai bine decât celelalte probe.

„Acesta ar putea fi un fel de capacitate de a răspunde la agentul patogen în moduri care au fost de protecție”, spune Kane. . „Nu știm încă dacă aceasta ar fi o țintă utilă de reproducere, deoarece ar putea exista compromisuri sau ar putea avea efecte de protecție limitate sau deloc în condiții normale”. Totuși, „demonstrează că întreaga poveste nu este doar microbii. Există o componentă importantă, chiar dacă este mai mică, legată de genetica inerentă a plantelor.”

Cercetarea a inspirat întrebări suplimentare despre costurile și beneficiile simbiozei cu microbii, mecanismele moleculare responsabile de variația simbiozei și semnificația interacțiunilor dintre genotip și factorii de mediu.

Kane spune că el și colegii săi de cercetare „se uită la unele dintre aceste linii în medii mai diverse din S.U.A. și încercând să identifice dacă aceste asociații microbiene sunt foarte generale într-o gamă largă de medii sau dacă sunt foarte specifice unui singur mediu.”

Din moment ce acestea se fac studii pe câmpurile fermierilor, plantele examinate nu vor fi expuse agenților patogeni. În schimb, cercetătorii se vor concentra pe asocierile plantelor cu microbii, spune Kane.

În mod similar, Kane spune: „Văzând aceste efecte genetice în acest mediu asupra atât de mulți microbi diferiți a fost cu adevărat interesant, deoarece sugerează că floarea-soarelui pe care le-am folosit în acest studiu au o variație interesantă care ar putea fi asociată cu o gamă largă de trăsături diferite pe care nu le-am privit, dar la care ar fi foarte interesant să le analizăm în lucrările viitoare.”

Multe culturi și-au pierdut unele dintre asocierile microbiene prin reproducere, spune Kane, dar aceasta nu a fost o problemă cu populația studiului, ceea ce o face potențial valoroasă pentru cercetările viitoare.

Studiul. oferă totuși o idee despre modul în care asociațiile microbiene ar putea fi folosite pentru a proteja plantele pe cont propriu. Cel mai simplu mod de a face acest lucru este prin reproducerea selectivă a plantelor pentru genele corespunzătoare unei abundențe crescute de microbi utili în rizosferă.

„Pe lângă reproducere”, explică Kane, „diferite practici agricole și mediul înconjurător”. practicile ar putea promova comunități utile sau pot inhiba comunitățile dăunătoare”. În cazurile în care microbii utili nu sunt deja prezenți, aplicarea lor pe câmpuri ar putea fi, de asemenea, importantă.

„Ar fi probabil o combinație a mai mult de unul dintre aceste lucruri diferite”, spune Kane. Există unele companii de biotehnologie care lucrează deja la „preparate” microbiene benefice pentru unele culturi, care ar putea fi aplicate pe câmp sau acoperite pe semințe de plante.

Acest studiu „ar putea ajuta, cu siguranță, la creșterea floarea-soarelui”. Kane concluzionează, dar, de asemenea, „ne ajută să înțelegem cum să reproducem mai eficient alte specii și, de asemenea, o știință de bază despre nu doar modul în care plantele interacționează cu mediul lor, ci și modul în care întreaga comunitate de sub sol lucrează pentru a afecta acea interacțiune.”

(Fluierul)