У людей и животных есть химические и микробные сигнатуры, которые так или иначе влияют на их благополучие. В медицине использование пробиотиков, а не антибиотиков, стало на повестке дня. Однако не только люди и животные имеют тесную связь со своей микрофлорой. Растения также демонстрируют сходные отношения с окружающей средой. Так же, как и у людей, микробы играют важную роль в здоровье растений и их устойчивости к болезням.
В Орхусском университете во Флаккебьерге, Дания, исследователи изучают растения, здоровье растений и болезни растений, вызываемые микробными патогенами. Способность растений бороться с микробными патогенами, такими как бактерии и грибы, в значительной степени определяется генами растений, которые регулируют защитные способности растений. В новом исследовании исследователи из AU Flakkebjerg изучили, как растения с различными характеристиками устойчивости взаимодействуют со своими микробами, реагируя на атаку патогенов. Исследование опубликовано в журнале Microbiology Spectrum .
«Мы исследовали, что происходит с растениями, когда на них нападает патоген. Какие изменения происходят в самом растении, а также в связанных с ним микробных сообществах (т.е. в микробиоме) во время атаки патогена? Что делает одни растения устойчивыми, а другие нет? Чтобы ответить на эти вопросы, мы исследовали взаимодействие между химическими соединениями растений и множеством микробных сообществ, связанных с растением.Это не совсем новая область исследований, но, применяя новые и современные технологии в этом исследовании, мы смогли получить гораздо более подробное понимание того, что на самом деле происходит, с точки зрения взаимодействия между растительными химическими веществами и микробами», — говорит доцент Энох Нарх Куджорджи, один из ведущих исследователей кафедры агроэкологии Орхусского университета.
Как и у людей, у растений есть собственная иммунная система, которая играет огромную роль в профилактике заболеваний. Защита растений жестко регулируется вторичными метаболитами растений гормонами и полезными микробами внутри и вокруг растения.
Эта защитная система и ее активация сложны, и нам еще предстоит детально понять, как эти компоненты объединяются, чтобы помочь растению защитить себя от нападения. Тем не менее, есть свет в конце туннеля, поскольку ученые добиваются успехов в изучении этих компонентов защиты, анализируя различные генотипы растений, используя новые методы, такие как секвенирование нового поколения и платформы аналитической химии.
«Мы работали с модельным растением, известным как Arabidopsis thaliana. Генотипы Arabidopsis обладают разным уровнем устойчивости к Fusarium oxysporum, грибковому патогену, поражающему несколько видов растений. В настоящей работе мы использовали два генотипа Arabidopsis: один устойчивый, а другой который восприимчив к Fusarium oxysporum. Эти контрастные генотипы были выбраны, чтобы позволить нам получить всестороннее представление о метаболических и микробных изменениях, которые определяют устойчивость и восприимчивость растений во время атаки патогенов», — объясняет Куджорджи.
Для начала исследователи заразили двухнедельные генотипы арабидопсиса, растущие в полевой почве в теплице, грибковым возбудителем Fusarium oxysporum. Чтобы изучить изменения в период заражения, они собирали образцы корней и побегов с 5-дневными интервалами, начиная с 5-го дня после заражения и продолжая до 25-го дня после заражения. Они подтвердили инфекции с помощью количественной ПЦР и мониторинга симптомов заболевания.
«Таким образом, мы были абсолютно уверены, что растения действительно заражены. Тест qPCR показал четкую разницу между двумя генотипами: устойчивый генотип имел гораздо более низкий уровень патогена, чем восприимчивый».
Куджорджи продолжает: «Затем мы продолжили изучение различий, которые могут существовать в химическом составе и микробиомах двух генотипов, и обнаружили большие различия. Как и ожидалось, изучаемые растительные метаболиты и гормоны различались как у здоровых, так и у больных растений, что подтверждает участие определенных химических молекул растений в опосредовании защиты растений. Точно так же мы обнаружили, что микробный состав, а также сети микробных сообществ различаются у здоровых и устойчивых к болезням и восприимчивых растений. Более того, полезные бактерии, такие как роды Pseudomonas и Rhizobium, были различны. в основном обогащены ризосферой инфицированных растений, что свидетельствует об активном наборе микробов для сопротивления вторжению патогенов».
«С более широкой точки зрения, настоящая работа углубила наше понимание того, как растения защищаются от грибкового патогена. Что еще более важно, мы обнаружили сильную и уникальную связь между отдельными метаболитами защиты и специфическими микробами у здоровых и больных растений разных генотипы. Дальнейший анализ генов, ответственных за защиту растений от патогена, выявил несколько мутаций в различных химических и гормональных путях у восприимчивого растения по сравнению с устойчивым растением. Эти результаты убедительно подтвердили, что три основных компонента хозяина (гены, метаболиты и микробиомы), интерактивно управлять защитой завода», — объясняет Куджорджи.
«Проще говоря, мы обнаружили, что отдельные генотипы растений обладают уникальным набором генов, которые регулируют биологическую активность, включая метаболические процессы, опосредующие сборку специфических микробиомов при различных физиологических состояниях растения. Однако микробы в почве также влияют на то, что происходит в растение.»
Можем ли мы представить себе будущее, в котором растения выращиваются с оптимизированной урожайностью и другими агрономическими и экономическими выгодами без использования синтетических химикатов? Это улучшит здоровье человека, а также устранит загрязнение окружающей среды агрохимикатами. До сих пор накопленные данные указывают на такую возможность, и текущие результаты исследователей из АС имеют решающее значение для будущих исследований по разработке натуральных продуктов для защиты растений.
«Несмотря на то, что эти результаты являются захватывающими, нам необходимо использовать наши знания и интегрировать их в будущие стратегии борьбы с болезнями. Один из подходов со стороны растений заключается в разработке генотипов растений с повышенным уровнем защитных метаболитов, чтобы привлекать определенные микроорганизмы для борьбы с конкретными патогенами. подразумевает, что селекционеры должны будут включить химию растений в свой набор инструментов.Другая стратегия заключается в разработке микробных инокулянтов, включающих несколько полезных микробов, которые могут оптимально улучшить приспособленность растений в различных условиях.Мы весьма оптимистичны в отношении использования микробиомов в качестве средств защиты растений, а также возможность выращивать «супер» культуры, способные защищаться от патогенов в будущем», — говорит Куджорджие.
