Een gezonde natuurlijke Arabidopsis-plant (links) en een gemuteerde plant die lijdt aan een microbe-onbalans (rechts). Sheng Yang He, CC BY-SA

Velen van ons hebben erover gehoord inflammatoire darmziekte, een slopende aandoening die wordt geassocieerd met een abnormale verzameling microben in de menselijke darm - bekend als het darmmicrobioom. Mijn lab ontdekte onlangs dat planten, net als mensen, ook deze aandoening kunnen ontwikkelen, bekend als dysbiose, met ernstige gevolgen.

Als onderdeel van deze studieontdekten mijn collega's en ik dat sommige genen en processen die betrokken zijn bij het beheersen van dysbiose in planten, vergelijkbaar kunnen zijn met die bij mensen. De ontdekking van dysbiose in het plantenrijk opent nieuwe mogelijkheden voor het stimuleren van innovatie op het gebied van plantgezondheid en wereldwijde voedselzekerheid.

Ik ben een plantenmicrobioloog geïnteresseerd in hoe planten en microben met elkaar omgaan. Hoewel ons onderzoek in het verleden zich concentreerde op moleculaire details van pathogene infectiesleidde dit werk mijn lab naar de fascinerende wereld van het microbioom van planten.

Hebben planten microbiomen?

Wanneer wetenschappers zeggen dat menselijke “darmbacteriën” goed in balans moeten zijn, bedoelen ze het genetisch materiaal van alle microben die in het menselijke spijsverteringssysteem leven, of het darmmicrobioom. Hebben planten ook microbiomen? Het antwoord is ja.

In feite vormen de delen van de plant die bovengronds groeien, phyllosphere genaamd, en de delen die eronder groeien, de rhizosfeer genaamd, een van de grootste habitats voor microbe-kolonisatie op aarde. Beide zijn essentieel voor het menselijk leven op aarde.

De phyllosfeer neemt kooldioxide op voor fotosynthese, wat nodig is om biomassa op te bouwen en een primaire bron van voedsel, brandstoffen, vezels en medicijnen is. Fotosynthese maakt ook zuurstof vrij voor dieren en mensen om te ademen, en daarom worden planten vaak beschouwd als de longen van onze planeet. De rhizosfeer neemt daarentegen water en voedingsstoffen uit de bodem op.

Talrijke studies hebben aangetoond dat plantenmicroben planten helpen voedingsstoffen uit de bodem te halen en om te gaan met droogte, ziekteverwekkers, insecten en andere stress.

Ecologische studies hebben ook opgemerkt dat hoe groter de diversiteit aan microben die op de bladeren van planten leven, hoe productiever de planten lijken te zijn.

Tegenwoordig zijn de meeste plantenwetenschappers van mening dat wereldwijde strategieën om de productiviteit van gewassen en voedselzekerheid te waarborgen, rekening moeten houden met het microbioom van planten. Dat schat de Voedsel- en Landbouworganisatie van de VN tot 40% van de voedselgewassen gaan jaarlijks verloren als gevolg van plantenplagen en ziekten, en de Algemene Vergadering van de Verenigde Naties heeft 2020 uitgeroepen tot het Internationale Jaar van de plantgezondheid.

Sommige microben worden geassocieerd met de bladeren en scheuten, terwijl een andere aparte set tussen de wortels leeft. Sheng Yang He, CC BY-SA

Hoe houden planten de microbiota gezond?

Gezien het belang van microbiota - de specifieke gemeenschap van microben die op of nabij planten leven - voor de gezondheid van planten, redeneerden we dat planten een geavanceerd genetisch netwerk moeten hebben ontwikkeld om de juiste mix van microben te selecteren.

Als dat waar is, dan zou weten welke plantengenen de soorten microben rondom de plant beïnvloeden, toekomstig onderzoek kunnen sturen om plantenmicrobiomen te optimaliseren om planten te helpen beter en sterker te groeien en om meer biomassa en opbrengst te produceren.

Mijn fractie heeft nu inderdaad enkele van deze "microbiota-controlerende" genen in de modelplant geïdentificeerd Arabidopsis thaliana.

We vonden dat verschillende genen betrokken bij de immuniteit van planten en de waterbalans zijn van cruciaal belang voor het selecteren en behouden van een gezonde microbiota binnenin Arabidopsis plant bladeren.

Toen we deze geïdentificeerde genen uit planten verwijderden, werd de Arabidopsis plantmutanten konden niet de juiste mix van microben bevatten en vertoonden symptomen van dysbiose, waaronder dode of vergelende bladeren. Voor zover we weten, was dit de de eerste keer dat de negatieve effecten van dysbiose causaal zijn gedocumenteerd in het plantenrijk.

[U moet de pandemie van het coronavirus begrijpen en wij kunnen u helpen. Lees de nieuwsbrief van The Conversation.]

Interessante kenmerken van 'zieke' planten

Mijn collega's en ik hebben enkele opmerkelijke dysbiose-kenmerken in onze mutant waargenomen Arabidopsis planten.

Ten eerste hebben dysbiose-mutanten de neiging om een ​​abnormaal hoog niveau van microben in de bladeren te hebben.

Een blad van een gezonde Arabidopsis-plant (links) en een blad van een dysbiose-mutante plant (rechts). Sheng Yang He, CC BY-SA

Ten tweede is er een drastische verandering in de diversiteit van microben. Bijvoorbeeld in normaal Arabidopsis plantenbladeren leven er allerlei soorten bacteriën in het blad. Daarentegen is de algehele diversiteit van bacteriën sterk verminderd in de dysbiotische mutanten, wat suggereert dat gezonde planten de microbiële diversiteit bevorderen, vermoedelijk om de voordelen voor de gezondheid van planten te vergroten.

Ten derde, terwijl bacteriën die tot het phylum behoren Fermicuten zijn er in overvloed binnen wild-type Arabidopsis bladeren, is de overvloed aanzienlijk verminderd in onze genetische mutanten. Bovendien zagen we een dramatische toename van het aantal schadelijke bacteriën in de dysbiose-mutante bladeren. We vinden het interessant dat sommige van deze microbiota-veranderingen ook worden waargenomen bij menselijke patiënten met inflammatoire darmaandoeningen, wat duidt op conceptuele parallellen in de ontwikkeling van dysbiose bij mensen en planten.

What’s next?

We zijn enthousiast over onze identificatie van verschillende plantengenen en processen die betrokken zijn bij het voorkomen van dysbiose. De microbiota-controlerende genen waarin we identificeerden Arabidopsis worden gevonden in de genomen van vele andere planten, wat suggereert dat onze bevindingen een brede toepasbaarheid kunnen hebben.

In de toekomst zouden we kunnen experimenteren met het veranderen van deze gastheergenen, wat kan leiden tot op microbiota gebaseerde benaderingen die de gezondheid van planten verbeteren. Gen-bewerkingstechnologieën zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om een ​​gezond bioom in plantenbladeren te creëren door de expressie van specifieke genen te versterken. Een synthetisch gezond microbioom kan worden geformuleerd als een probioticum om dysbiose bij planten te voorkomen, net als probiotica zijn beloofd om de gezondheid van het microbioom van de menselijke darm te verbeteren.

Merk op dat mutaties in genen die verband houden met het immuunsysteem van een persoon, algemeen bekend zijn risicofactor voor de ontwikkeling van inflammatoire darmaandoeningen in mensen. Misschien zal toekomstig onderzoek meer gedeelde kenmerken vinden in hoe planten en mensen omgaan met hun respectieve microbiota om ziekten te voorkomen.

Het gemak van genetische studies bij planten, zoals Arabidopsis, biedt ook de mogelijkheid dat onderzoekers meer genen kunnen identificeren die betrokken zijn bij het behoud van de gezondheid van microbiota bij mensen en planten.

Over de auteur

Sheng-Yang He, universiteitshoogleraar, HHMI-onderzoeker, Michigan State University

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

ING