Badanie społeczności mikroorganizmów zamieszkujących korzenie roślin
Podobnie jak wiele innych organizmów, także rośliny żyją w ścisłym związku z różnymi drobnoustrojami. Ich społeczności zapewniają wiele korzyści swojemu gospodarzowi i jednocześnie same czerpią zysk z takiego układu, na przykład wymieniając składniki odżywcze z gleby na cukry. Choć coraz lepiej rozumiemy te zależności, nasza wiedza na temat specyficznego funkcjonalnego wpływu drobnoustrojów korzeniowych na wzrost roślin jest ograniczona. Aby zgłębić temat tych korzystnych relacji, zespół finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych projektu MICRORULES wyhodował kultury drobnoustrojów związanych z roślinami w celu zbadania ich struktury i funkcji z niespotykaną dotąd szczegółowością. „Kultury te odegrały kluczową rolę w zrozumieniu związku przyczynowo-skutkowego wykraczającego dalece poza zwykłą korelację”, wyjaśnia Stéphane Hacquard, lider grupy badawczej w Instytucie Badań nad Hodowlą Roślin im. Maxa Plancka. W ramach projektu badacze przyglądali się interakcjom między gospodarzem a drobnoustrojami, a także między mikroorganizmami. „To dodatkowa warstwa złożoności, która sprawia, że badania nad mikrobiotą roślin stanowią wyzwanie, ale jednocześnie są tak fascynujące”, mówi Hacquard.
Badanie drobnoustrojów kolonizujących korzenie roślin
Naukowcy skupieni wokół projektu MICRORULES zbadali wielogatunkową mikrobiotę (bakterie, grzyby, lęgniowce) żyjącą wokół korzeni rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana). Prace rozpoczęły się od opisania drobnoustrojów występujących wśród naturalnych populacji roślin w całej Europie i zbadania, czy rośliny żyjące w mocno zróżnicowanych warunkach środowiskowych – od gleby po klimat – budują relacje z podobnymi społecznościami. „Zaobserwowaliśmy, że w rzeczywistości korzenie roślin kolonizują zwykle podobne grupy drobnoustrojów”, zauważa Hacquard. Wnioski z tych obserwacji wraz z analizą przypadków zostały opublikowane w artykule zamieszczonym na łamach czasopisma „Nature Ecology & Evolution”. Innym ważnym celem projektu była ocena możliwości hodowli zbiorów kultur bakterii, grzybów i lęgniowców, co było trudnym zadaniem, biorąc pod uwagę znane trudności w hodowli drobnoustrojów środowiskowych. Zespół projektu MICRORULES z powodzeniem wyhodował nadspodziewanie dużo docelowych drobnoustrojów i wykazał, że istnieje możliwość hodowli większości drobnoustrojów kolonizujących korzenie roślin.
Odtwarzanie naturalnych społeczności
Trzecim celem projektu była rekonstrukcja wysoce złożonych i wielogatunkowych społeczności drobnoustrojów, które przypominają naturalnie występujące mikrobiomy korzeni. „Odtwarzamy te społeczności w tak zwanych gnotobiotycznych systemach roślinnych, które dają nam możliwość kontrolowania tego, które mikroby zaszczepiamy, którą roślinę uprawiamy i jakie warunki środowiskowe narzucamy”, wyjaśnia Hacquard. To podejście dekonstrukcyjno-rekonstrukcyjne zostało dokładnie zgłębione w ramach czterech recenzowanych badań, z których wnioski opublikowano na łamach czasopism „Cell” i „Nature Plants”, a także w dwóch artykułach w czasopiśmie „PNAS”. Zespół dokonał również sekwencjonowania genomów społeczności drobnoustrojów w celu znalezienia interesujących cech mikrobiologicznych. „Najwyraźniej strategia ta okazała się skuteczna, ponieważ pozwoliła nam zidentyfikować bakteryjne lub grzybicze geny kandydujące, które następnie uznano w drodze walidacji za kluczowe dla kolonizacji korzeni”, dodaje Hacquard.
Długoterminowe partnerstwa ewolucyjne
W ramach projektu badaczom udało się dokonać szeregu kluczowych odkryć. Jedno z nich głosi, że bakterie związane z korzeniami rzodkiewnika chronią roślinę przed niektórymi szkodliwymi mikroorganizmami. Co więcej, roślina-gospodarz i jej bakterie działają wspólnie, aby kontrolować grzyby w korzeniach i ograniczać ich inwazję. „Okazało się, że te grzybicze drobnoustroje mogą być szkodliwe dla rzodkiewnika, ponieważ wykorzystują specyficzne enzymy, które skutecznie degradują fizyczne bariery rośliny”, tłumaczy Hacquard. Kolejne kluczowe odkrycie mówi o korzystnym działaniu drobnoustrojów związanych z korzeniami w odległych tkankach liści, co otwiera nowe możliwości wykorzystania drobnoustrojów podziemnych do dbania o zdrowie roślin na odległość. „W czasie gdy rośliny ewoluowały, wykorzystały szereg funkcji drobnoustrojów na potrzeby własnej adaptacji do biotycznych i abiotycznych czynników stresu”, zauważa Hacquard. „Mamy nadzieję, że w przyszłości możliwe będzie przewidywanie i racjonalne projektowanie w warunkach laboratoryjnych syntetycznych społeczności, które będą wpływały na zdrowie roślin w terenie”.
Słowa kluczowe
MICRORULES, roślina, drobnoustroje, społeczności, korzenie, grzyby, adaptacja, ewolucja, partnerstwo, organizmy kolonizujące
