Wyjaśnienie dynamiki społeczności drobnoustrojów
Mikrobiota – społeczność bakterii, grzybów i protistów(odnośnik otworzy się w nowym oknie) żyjących wewnątrz i na powierzchni organizmów wyższych – odgrywa zasadniczą rolę w utrzymaniu zdrowia swojego gospodarza. Te mikroskopijne organizmy wspomagają funkcje życiowe roślin i zwierząt, jednak w pewnych warunkach mogą również wyrządzać szkody. Lepsze zrozumienie holobiontu, a więc złożonej sieci wzajemnych oddziaływań między gospodarzem a mikrobiotą, oferuje nowe podejście do ochrony systemów żywnościowych. W ramach finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych projektu DeCoCt(odnośnik otworzy się w nowym oknie) wykorzystano narzędzia do badania genetyki oraz duży, podłużny zbiór danych dotyczących Arabidopsis thaliana, gatunku z rodziny roślin kapustowatych, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób społeczności drobnoustrojów mogą chronić rośliny uprawne.
Stabilność mikrobiologiczna
W skład społeczności drobnoustrojów często wchodzą fakultatywne patogeny – organizmy, które zwykle współistnieją z gospodarzem bez wyrządzania mu szkody, aczkolwiek w warunkach stresu mogą wywoływać choroby. Zgodnie z główną hipotezą postawioną przez zespół projektu, stabilne społeczności drobnoustrojów zapewniają gospodarzowi odporność. Problem mogą stanowić warunki stresu, do których zaliczamy skrajne temperatury i wilgotność. Naukowcy przyjrzeli się bliżej, w jaki sposób te czynniki zewnętrzne, w połączeniu z uwarunkowaniami genetycznymi gospodarza i interakcjami biotycznymi, powodują szkodliwe zmiany w społeczności drobnoustrojów. Uczeni z projektu DeCoCt oparli swoje spostrzeżenia na analizie obejmującego dziesięć lat zbioru danych dotyczących Arabidopsis thaliana w warunkach polowych w połączeniu z danymi satelitarnymi o wysokiej rozdzielczości istotnymi z punktu widzenia warunków środowiskowych. „Głównym wnioskiem jest fakt, że stabilność i trwałość mikrobioty są właściwościami emergentnymi, kształtowanymi przez wzajemne oddziaływania między drobnoustrojami, gospodarzem i warunkami środowiskowymi. Skład mikrobioty jest efektem dynamicznej równowagi między czynnikami wewnętrznymi i zewnętrznymi”, podkreśla koordynator projektu Eric Kemen z Uniwersytetu w Tybindze(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
Analiza dynamiki mikrobioty
Holobiont to niezwykle złożony system. Jako że najważniejsze zmiany zachodzą na poziomie komórkowym lub chemicznym, naukowcy muszą uwzględnić te najdrobniejsze interakcje, aby zbadać słuszność swoich hipotez. W tym celu zespół projektu DeCoCt wykorzystał szereg modeli, technik uczenia maszynowego i analizy genetycznej. Połączono wieloletnie badania terenowe oraz gnotobiotyczne doświadczenia laboratoryjne, w których kontrolowano mikroorganizmy. Drobnoustroje zostały sprofilowane przy użyciu techniki genetycznej zwanej sekwencjonowaniem amplikonów, która pozwoliła naukowcom na rejestrowanie aktywności organizmów w czasie i różnych przedziałach roślinnych. Wśród innych technik zastosowanych do badania komórkowych i molekularnych cech mikrobioty znalazły się sekwencjonowanie całego genomu, metabolomika i proteomika. Z kolei sieci współwystępowania drobnoustrojów i modele liniowe zostały wykorzystane do oceny odpowiedzi mikroorganizmów, zaś uczenie maszynowe i filtrowanie oparte na sieci pomogły w selekcji kandydatów do użycia w systemach gnotobiotycznych. To wieloaspektowe podejście przyniosło pozytywne rezultaty. „Łącząc dane z 10 lat dotyczące mikrobiomu i gospodarza, możemy teraz nadać priorytet mikrobom mającym duże znaczenie ekologiczne, a więc takim, które utrzymują się w różnych porach roku i miejscach oraz przyczyniają się do tworzenia stabilnych społeczności mikrobiologicznych związanych z roślinami”, wyjaśnia Kemen.
Syntetyczne społeczności drobnoustrojów
Uzyskanie lepszego wglądu w czynniki napędzające dynamikę holobiontów wymagało precyzyjnych umiejętności. Techniki te otworzyły możliwości manipulowania mikrobiotą w sposób wspierający zdrowie roślin. Z myślą o ochronie roślin w ramach projektu DeCoCt udało się stworzyć bazę dla syntetycznych społeczności drobnoustrojów (SynComs) zawierającą podstawowy zestaw mikroorganizmów, w tym gatunki z rodzaju Pseudomonas. Niektóre szczepy Pseudomonas zostały zbadane pod kątem ich zdolności do stabilizowania społeczności i tłumienia zachowań antagonistycznych. Jednak efekty ich zastosowania były uzależnione od kontekstu i różniły się w zależności od składu społeczności. Oprócz zastosowania bakterii SynComs w odniesieniu do Arabidopsis thaliana, uczestnicy projektu DeCoCt postanowili sprawdzić, jak społeczności SynComs sprawdzają się w przypadku komonicy zwyczajnej (Lotus corniculatus), rośliny z rodziny bobowatych. Mimo że próba zastosowania tego rozwiązania na roślinach uprawnych nie wchodziła w zakres projektu DeCoCt, jego uczestnicy nawiązali współpracę z partnerami, w ramach której ich metody są badane w uprawach ryżu. Wszystko wskazuje na to, że zbiory danych i ramy koncepcyjne będące wynikiem projektu stanowią bardzo obiecujące narzędzia z perspektywy zdrowej i stabilnej produkcji żywności w nadchodzącej przyszłości.