Badanie wpływu mikroorganizmów na ochronę roślin przed chorobami
Ochrona roślin przed patogenami to proces, w którym uczestniczy wiele drobnoustrojów. Obejmuje wytwarzanie drobnych cząsteczek zwanych metabolitami - związków chemicznych, które mogą blokować szkodliwe enzymy zwane proteazami. Chociaż badania dotyczące drobnoustrojów kolonizujących rośliny są coraz powszechniejsze, wciąż brakuje nam wielu danych na temat złożonych interakcji, jakie zachodzą między nimi, roślinami i patogenami. „Przez wiele lat badania mikrobiomów roślin skupiały się przede wszystkim na identyfikacji drobnoustrojów, nie zaś na rozumieniu zachodzących między nimi interakcji chemicznych oraz interakcji z samą rośliną”, mówi Daniel Petras(odnośnik otworzy się w nowym oknie), adiunkt w Katedrze Biochemii Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Problem ten jest szczególnie istotni w przypadku filosfery, czyli siedlisk mikroorganizmów występujących na liściach roślin”. Najnowsze postępy w dziedzinach metabolomiki funkcjonalnej i niecelowej, syntetycznych hodowlach zbiorowisk mikroorganizmów i podejść obliczeniowych umożliwiły zbadanie tych złożonych oddziaływań metabolicznych oraz ich znaczenia dla zdrowia roślin i odporności na choroby. W ramach projektu MeStaLeM realizowanego dzięki wsparciu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Paolo Stincone(odnośnik otworzy się w nowym oknie), badacz w stopniu doktora pracujący pod kierunkiem Petrasa i Erica Kemena - naukowca zajmującego się interakcjami mikroorganizmów w ekosystemach roślin na Uniwersytecie w Tybindze(odnośnik otworzy się w nowym oknie) – wykorzystał wybrane technologie do zbadania substancji wytwarzanych przez mikroorganizmy zamieszkujące rośliny. Badacze postawili sobie za cel hodowlę syntetycznej społeczności mikroorganizmów, aby poznać korzystny wpływ tych substancji i negatywne skutki rozkładu mikrobiomu roślin. „Wyniki naszych badań rzucają nowe światło na mechanizmy molekularne, poprzez które społeczności mikroorganizmów kolonizujących liście wspierają zdrowie roślin”, zauważa Petras.
Stabilizacja syntetycznej społeczności mikroorganizmów
Prace badaczy rozpoczęły od zastosowania metody opartej na usuwaniu kolejnych drobnoustrojów z syntetycznej hodowli mikroorganizmów. „Systematycznie usuwając kolejne mikroorganizmy z tego sztucznego mikrobiomu udało nam się zidentyfikować metabolity i drobnoustroje, których liczebność ulegała drastycznym zmianom w przypadku zaniku wybranych mikrobów”, wyjaśnia Stincone, który kierował pracami w ramach projektu MeStaLeM. „Dzięki temu udało nam się wskazać metabolity odgrywające ważną rolę w interakcjach społeczności drobnoustrojów”, wyjaśnia.
Współpraca drobnoustrojów w pozyskiwaniu żelaza
Zespół odkrył, że niektóre z tych metabolitów, zwłaszcza syderofory biorące udział w przyswajaniu żelaza, odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu dynamiki społeczności. „Zamiast działać niezależnie, drobnoustroje mogą korzystać z metabolitów wytwarzanych przez innych członków społeczności, tworząc w ten sposób sieci współpracy, które stabilizują mikrobiom”, zauważa Stincone. „Te interakcje sprzyjają pożytecznym mikroorganizmom, zwiększając ich zdolność do pozyskiwania ograniczonej ilości żelaza dostępnego na powierzchni liści, jednocześnie ograniczając rozwój patogenów poprzez zwiększoną konkurencję o ten kluczowy składnik odżywczy”. Dzięki tej współpracy pożyteczne drobnoustroje współdziałają, dzieląc się cząsteczkami w celu pozyskiwania żelaza, podczas gdy patogeny roślin nie są w stanie tego zrobić. „To nieznany dotychczas mechanizm, dzięki któremu mikrobiom filosfery pozytywnie wpływa na zdrowie roślin”, zauważa Stincone.
Poprawa zdrowia roślin w przyszłości
Wyniki prac przeprowadzonych w ramach projektu pokazują, że zrozumienie interakcji metabolicznych między mikroorganizmami ma kluczowe znaczenie dla wyjaśnienia funkcji mikrobiomu i jego wpływu na odporność na choroby. Wyniki te stanowią uzupełnienie realizowanego dzięki wsparciu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) projektu DeCoCt(odnośnik otworzy się w nowym oknie), w ramach którego badacze wykorzystali przekrojowe badania terenowe i syntetyczne społeczności mikroorganizmów w celu wskazania ekologicznie istotnych elementów mikrobiomów związanych z roślinami. Rezultaty projektu MeStaLeM poszerzają tę wiedzę, ujawniając wpływ współpracy opartej na metabolitach na stabilność i funkcję ochronną pożytecznych społeczności mikroorganizmów liściowych. „W przyszłości ta wiedza może pomóc naukowcom w projektowaniu społeczności mikroorganizmów, które będą sprzyjać zdrowiu roślin, a także w identyfikacji metabolitów zwiększających aktywność pożytecznych drobnoustrojów”, dodaje Kemen. „Ostatecznie takie podejście może przyczynić się do opracowania bardziej zrównoważonych strategii ochrony roślin uprawnych i ograniczenia zależności od pestycydów chemicznych”.
