Wetenschap
Schimmelresistentie bij planten geassocieerd met erfelijke verschillen in de overvloed aan microbiota
Zonnebloemen zijn niet alleen mooie symbolen van de zomer; ze zijn ook economisch belangrijk en staan op de vierde plaats van de belangrijkste oliehoudende gewassen ter wereld. Nieuw onderzoek suggereert dat sommige bacteriën het gewas kunnen helpen beschermen tegen vernietiging door witte schimmel.
Zonnebloemen kunnen worden geoogst voor een aantal producten, waaronder zaden en olie, waarnaar de vraag van de consument de afgelopen jaren aanzienlijk is toegenomen. Ze kunnen ook bijdragen aan de klimaatbestendigheid, merken onderzoekers op, omdat ze zich kunnen aanpassen aan verschillende weersomstandigheden, en zonnebloemspruiten voedingsstoffen bevatten die de menselijke gezondheid kunnen bevorderen.
Helaas zijn zonnebloemen, net als veel andere planten, vatbaar voor ziekten, wat aanzienlijke oogstverliezen kan veroorzaken. Witte schimmel, die wordt veroorzaakt door de schimmelpathogeen Sclerotinia sclerotiorum, is bijvoorbeeld verantwoordelijk voor gemiddelde jaarlijkse verliezen aan zonnebloemoogsten van meer dan 1%. Het kan ook bonen, aubergines, sla, pinda's, aardappelen en sojabonen aantasten, waardoor in sommige gevallen 100% van de gewassen wordt vernietigd.
Hoewel de aanpak van het beheersen van ziekten zoals witte schimmel doorgaans gericht is op plantengenetica, blijkt uit een onderzoek gepubliceerd in Molecular Ecology en geleid door de Universiteit van Colorado Boulder-onderzoekers suggereren dat de gemeenschappen van microscopische organismen rond de wortels van planten ook een belangrijke rol spelen, en dat genetische variatie bij planten inderdaad de geassocieerde microbiomen beïnvloedt.
Veld- en kasexperimenten
Het onderzoek omvatte een broeikasonderzoek en een veldexperiment dat de onderzoekers uitvoerden met verschillende zonnebloemrassen waarvan ze het DNA hadden geëxtraheerd en gesequenced.
Twintig planten van elk zonnebloemras werden gekweekt in één veld waarvan onderzoekers verwachtten dat het microben zou bevatten die vijandig stonden tegenover de Sclerotinia-ziekteverwekker. Sommige planten waren geïnfecteerd, andere niet. Dit was nodig om onderscheid te maken tussen microben die relevant waren voor het onderzoek en microben die misbruik maakten van de weefselsterfte veroorzaakt door Sclerotinia.
In het kasexperiment werden zonnebloemen gekweekt in grond uit dezelfde omgeving als in het veldexperiment, waarvan de helft was gesteriliseerd om eventuele microben te verwijderen.
De planten werden geïnfecteerd en beoordeeld op hun resistentie tegen de ziekte, waardoor onderzoekers de betekenis van de microben konden bepalen voor de resultaten die verschillende zonnebloemrassen in het veldexperiment ondervonden. Als de zonnebloemen die in steriele grond worden gekweekt minder resistent zijn tegen ziekten, zou dit aantonen dat de microben ziekteresistentie aan hun planten verlenen.
De onderzoekers ontdekten dat 42 soorten microben geassocieerd waren met ziekteresistentie. Uit het kasexperiment bleek dat deze microben erg belangrijk zijn voor de resistentie tegen plantenziekten, omdat de zonnebloemen in steriele grond maar liefst 19 dagen eerder stierven dan hun tegenhangers.
Vervolgens werd de overvloed van de belangrijkste microben in verband gebracht met de genetische kenmerken van de verschillende planten, en onderzoekers ontdekten dat bepaalde genen overeenkwamen met een verhoogde overvloed van de microben.
Dit alles suggereert dat verschillende zonnebloemrassen zich genetisch hebben aangepast om het aantal nuttige microben in nabijgelegen grond te vergroten en daardoor hun weerstand tegen witte schimmel te verbeteren, concludeerden de onderzoekers. Omdat de associatie tussen plant en microbe genetisch is, kan deze erfelijk zijn en is het daarom mogelijk om deze resistentie onder andere te cultiveren door middel van veredeling.
Microben en resistentie tegen plantenziekten
Vóór het onderzoek was het onduidelijk hoeveel effect microbiële gemeenschappen hebben op de resistentie tegen plantenziekten, zegt Nolan Kane, universitair hoofddocent ecologie en evolutionaire biologie van CU Boulder en bekend zonnebloemonderzoeker.
‘Er zijn zeker enkele gedocumenteerde gevallen waarin dit belangrijk is’, zegt hij, ‘maar voor de meeste ziekteverwekkers hebben planten het juiste allel voor dit ene gen, en zullen ze resistent zijn tegen die ziekteverwekker. juiste allel, dan zijn ze vatbaar.
"(Mensen) hebben een zeer complex immuunsysteem dat voortdurend nieuwe eiwitten kan herkennen. Planten hebben een heel ander immuunsysteem dat vaak wordt vereenvoudigd tot slechts één gen dat de ziekteverwekker detecteert. Als het pathogene eiwit een versie is die het gen kan detecteren, dan is de plant resistent, maar als er niet de juiste match is, is de plant vatbaar."
In tegenstelling tot menselijke immuunsystemen houden plantaardige immuunsystemen geen gegevens bij van elke microbe die ze hebben bestreden. In plaats daarvan herkennen ze met behulp van gespecialiseerde receptoren moleculaire patronen die verband houden met ziekten. Elk type receptor kan alleen interageren met moleculen met een bepaalde vorm, die als bijpassende puzzelstukjes in elkaar passen. Zodra dit contact is gemaakt, signaleert de receptor een afweerreactie.
In het geval van de zonnebloemen die Kane en zijn onderzoekscollega's bestudeerden, althans voor Sclerotinia, liggen de zaken ingewikkelder. "Dit was een geval waarin we echt dachten dat er een belangrijke rol zou kunnen spelen voor het microbioom of een andere omgevingscomponent", zegt Kane. Zoals de onderzoekers ontdekten, waren vier soorten bacteriën sterk gecorreleerd met de resistentie van zonnebloemen tegen de schimmelpathogeen, wat erop wijst dat hun intuïtie juist was.
Kane zegt echter:"Er waren veel microben die met elkaar gecorreleerd waren", wat betekent dat het effect een gevolg zou kunnen zijn van de hele gemeenschap in plaats van alleen van deze vier soorten bacteriën, die operationele taxonomische eenheden (OTU's) worden genoemd.
Toch vervolgt Kane:“De vier die we hebben benadrukt, zijn het sterkst gecorreleerd met resistentie tegen pathogenen, en als we voor die vier controleren, was geen van de andere gecorreleerde OTU’s significant in verband met de ziekte”, hoewel de vier belangrijkste bacteriën dat waarschijnlijk niet konden. individueel de weerstand tegen ziekten verbeteren, omdat "veel van deze microben uit zichzelf niet zo goed groeien, of zich niet op dezelfde manier gedragen als ze op zichzelf worden gekweekt."
Plant-microbe-symbiose
De onderzoekers ontdekten dat hoe meer van deze vier bacteriën er in de grond rond de planten zaten, hoe beter ze het deden tegen Sclerotinia sclerotiorum. Hoe kunnen planten profiteren van deze bacteriën, en wat heeft dit te maken met plantengenetica?
Het blijkt dat planten een gemeenschap van nuttige microben kunnen cultiveren in het gebied rond hun wortels, dat bekend staat als de rhizosfeer.
"Over het algemeen zijn er verbindingen die planten kunnen afscheiden en die bepaalde microben remmen of hun groei bevorderen", legt Kane uit. Fotosynthese, het proces dat planten gebruiken om licht om te zetten in bruikbare energie, produceert veel koolhydraatmoleculen zoals suikers en zetmeel.
Om deze reden zegt Kane:"Bij veel van hun interacties met microben zijn suikers of koolhydraten betrokken die door de planten worden toegediend, en de planten profiteren ervan doordat ze stikstof of iets anders dat ze nodig hebben terugkrijgen."
Planten hebben vergelijkbare soorten symbiotische relaties met schimmels waarvan ze baat hebben bij het bevorderen ervan. Stikstof is slechts één voorbeeld van de voordelen die planten halen uit hun symbiotische relaties:"In het onderzoek dat we hebben gedaan, weten we niet dat het noodzakelijkerwijs hetzelfde mechanisme is, maar het is waarschijnlijk dat er een soort wortelafscheidingen zijn die vormgeven het microbioom”, zegt Kane. "Dat is een van de belangrijkste mechanismen die planten gebruiken."
De manier waarop planten interageren met microben in de rhizosfeer hangt af van hun genen. Om deze reden konden de onderzoekers de vier soorten bacteriën associëren met zeer specifieke delen van de genetische codes van zonnebloemen.
Associaties met microben
Het onderzoek leverde ook andere belangrijke bevindingen op. Hieruit bleek dat vier van de veertig onderzochte zonnebloemmonsters resistent waren tegen Sclerotinia, zelfs zonder de bescherming van nuttige bacteriën. Ze presteerden wel slechter in gesteriliseerde grond dan in grond met bacteriën, maar waren significant beter af dan de andere monsters.
"Dat zou een soort vermogen kunnen zijn om op een beschermende manier op de ziekteverwekker te reageren", zegt Kane. "We weten nog niet of dat een nuttig fokdoel zou zijn, omdat er afwegingen kunnen zijn, of het zou onder normale omstandigheden beperkte of geen beschermende effecten kunnen hebben." Toch "laat het zien dat het hele verhaal niet alleen maar om de microben gaat. Er is een belangrijk onderdeel, ook al is het kleiner, gerelateerd aan de inherente plantengenetica."
Het onderzoek leidde tot verdere vragen over de kosten en baten van de symbiose met de microben, de moleculaire mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de variatie van de symbiose en het belang van interacties tussen genotype en omgevingsfactoren.
Kane zegt dat hij en zijn onderzoekscollega's "naar enkele van deze lijnen kijken in meer diverse omgevingen in de VS en proberen vast te stellen of deze microbiële associaties zeer algemeen zijn in een breed scala aan omgevingen, of dat ze heel specifiek zijn voor slechts één omgeving." omgeving."
Omdat deze onderzoeken plaatsvinden op de akkers van boeren, worden de onderzochte planten niet blootgesteld aan ziekteverwekkers. In plaats daarvan zullen de onderzoekers zich concentreren op de associaties van de planten met de microben, zegt Kane.
Op dezelfde manier zegt Kane:‘Het was echt spannend om deze genetische effecten in deze ene omgeving op zoveel verschillende microben te zien, omdat het suggereert dat de zonnebloemen die we in dit onderzoek hebben gebruikt een interessante variatie hebben die geassocieerd zou kunnen worden met een breed scala aan verschillende eigenschappen die waar we niet naar hebben gekeken, maar dat het heel spannend zou zijn om naar te kijken in toekomstig werk."
Veel gewassen hebben door veredeling een deel van hun microbiële associaties verloren, zegt Kane, maar dat was geen probleem met de populatie van het onderzoek, waardoor het potentieel waardevol is voor toekomstig onderzoek.
De studie geeft echter nog steeds een idee van hoe microbiële associaties kunnen worden gebruikt om planten op zichzelf te beschermen. De meest eenvoudige manier om dit te doen is door selectief planten te kweken op de genen die overeenkomen met een grotere overvloed aan nuttige microben in de rhizosfeer.
"Naast het fokken", legt Kane uit, "kunnen verschillende landbouwpraktijken en milieupraktijken behulpzame gemeenschappen bevorderen of schadelijke gemeenschappen tegenhouden." In gevallen waarin de nuttige microben nog niet aanwezig zijn, kan het toepassen ervan op velden ook belangrijk zijn.
"Het zou waarschijnlijk een combinatie zijn van meer dan één van die verschillende dingen", zegt Kane. Er zijn enkele biotechnologiebedrijven die al werken aan nuttige microbiële "brouwsels" voor sommige gewassen, die op velden kunnen worden toegepast of op plantenzaden kunnen worden gecoat.
Deze studie “zou kunnen helpen, zeker bij het kweken van zonnebloemen”, concludeert Kane, maar ook “ons helpen te begrijpen hoe we andere soorten effectiever kunnen kweken, en ook wat fundamentele wetenschap over niet alleen hoe planten omgaan met hun omgeving, maar hoe de hele gemeenschap onder de grond werkt om die interactie te beïnvloeden."