یک گیاه سالم از نوع وحشی Arabidopsis (چپ) و یک گیاه جهش یافته که از عدم تعادل میکروب ها (سمت راست) رنج می برد. شنگ یانگ هه, CC BY-SA

بسیاری از ما در مورد این موضوع شنیده ایم بیماری التهابی روده، یک بیماری ناتوان کننده است که با مجموعه ای غیر طبیعی از میکروب ها در روده انسان همراه است - معروف به میکروبیوم روده. آزمایشگاه من اخیراً یافته است که مانند انسان ، گیاهان نیز می توانند به این بیماری مبتلا شوند ، که به عنوان دیس بیوزیس شناخته می شود ، و عواقب آن شدید است.

به عنوان بخشی از این مطالعه، من و همکارانم کشف کردیم که برخی از ژن ها و فرآیندهای کنترل کننده دیس بیوسیس در گیاهان ممکن است مشابه ژن های موجود در انسان باشد. کشف دیس بیوز در پادشاهی گیاهان امکانات جدیدی را برای تحریک نوآوری در سلامت گیاهان و امنیت غذایی جهانی فراهم می کند.

من میکروبیولوژیست گیاه هستم علاقه مند به نحوه تعامل گیاهان و میکروب ها با یکدیگر هستند. اگرچه تحقیقات ما در گذشته بر محوریت بوده است جزئیات مولکولی عفونت های بیماری زا، این کار آزمایشگاه من را به دنیای جذاب میکروبیوم گیاهی هدایت کرد.

آیا گیاهان میکروبیوم دارند؟

هنگامی که دانشمندان می گویند "باکتری های روده" انسان باید به خوبی متعادل باشد ، آنها به مواد ژنتیکی همه میکروب های موجود در سیستم های هضم انسان یا میکروبیوم روده اشاره می کنند. آیا گیاهان میکروبیوم نیز دارند؟ پاسخ بله است.

در حقیقت ، قسمتهایی از گیاه که در سطح زمین رشد می کنند ، فیلوسفر نامیده می شوند و آن قسمتهایی که در زیر رشد می کنند ، ریزوسفر نامیده می شوند ، یکی از بزرگترین زیستگاهها را برای استعمار میکروب ها در زمین فراهم می کنند. هر دو برای زندگی انسان در زمین حیاتی هستند.

فیلوسفر دی اکسید کربن را برای فتوسنتز ، که برای ساخت زیست توده ضروری است و منبع اصلی غذا ، سوخت ، الیاف و داروها است ، می گیرد. همچنین فتوسنتز اکسیژن را برای تنفس حیوانات و انسان آزاد می کند ، به همین دلیل گیاهان اغلب ریه های سیاره ما محسوب می شوند. از طرف دیگر ، ریزوسفر آب و مواد مغذی را از خاک می گیرد.

مطالعات متعدد نشان داده است که میکروب های گیاهی به گیاهان کمک می کند مواد مغذی را از خاک بیرون آورند و با خشکسالی ، عوامل بیماری زا ، حشرات و سایر تنش ها کنار بیایند.

مطالعات اکولوژیکی همچنین اشاره کرده اند که تنوع بیشتر میکروب های موجود در برگ گیاهان ، به نظر می رسد گیاهان تولید بیشتری دارند.

امروزه ، بیشتر دانشمندان گیاهان معتقدند که استراتژی های جهانی برای اطمینان از بهره وری محصول و امنیت غذایی باید میکروبیوم گیاهان را در نظر بگیرند. سازمان غذا و کشاورزی سازمان ملل تخمین می زند تا 40٪ محصولات غذایی سالانه به دلیل آفات و بیماری های گیاهی از بین می روند و مجمع عمومی سازمان ملل سال 2020 را سال جهانی بهداشت گیاهان اعلام کرد.

برخی از میکروب ها با برگ و شاخه ها مرتبط هستند ، در حالی که مجموعه مشخص دیگری در میان ریشه ها زندگی می کنند. شنگ یانگ هه, CC BY-SA

چگونه گیاهان میکروبیوتا را سالم نگه می دارند؟

با توجه به اهمیت میکروبیوتا - جامعه خاص میکروب های موجود در گیاهان یا در نزدیکی گیاهان - برای سلامت گیاهان ، ما استدلال کردیم که گیاهان برای انتخاب ترکیب مناسب میکروب ها باید یک شبکه ژنتیکی پیچیده را تکامل بخشیده باشند.

اگر این درست باشد ، دانستن اینکه کدام ژن های گیاهی بر انواع میکروب های اطراف گیاه تأثیر می گذارند ، می تواند تحقیقات آینده را برای بهینه سازی میکروبیوم های گیاهی جهت کمک به رشد بهتر ، قوی تر و تولید زیست توده و عملکرد بیشتر ، هدایت کند.

در واقع ، گروه من اکنون برخی از این ژن های "کنترل کننده میکروبیوتا" را در گیاه مدل شناسایی کرده است Arabidopsis thaliana.

ما دریافتیم که چندین ژن وجود دارد درگیر در ایمنی گیاه و تعادل آب برای انتخاب و حفظ میکروبیوتای سالم در داخل حیاتی است Arabidopsis دارد برگهای گیاه

هنگامی که ما این ژن های شناسایی شده را از گیاهان حذف کردیم ، Arabidopsis دارد جهش های گیاهی نمی توانند میزبان ترکیب صحیح میکروب ها باشند و علائم دیس بیوسیس ، از جمله برگهای مرده یا زرد را نشان می دهد. تا آنجا که ما می دانیم ، این بود اولین بار اثرات منفی دیس بیوزیس علیتاً ثبت شده است در پادشاهی گیاهان

[شما باید همه گیر کوروی ویروس را درک کنید ، و ما می توانیم کمک کنیم. خبرنامه مکالمه را بخوانید.]

ویژگی های جالب گیاهان "بیمار"

من و همکارانم برخی از ویژگی های قابل توجه دیس بیوز را در جهش یافته خود مشاهده کردیم Arabidopsis دارد گیاهان

اول ، جهش های دیس بیوزیس تمایل دارند که سطح غیرطبیعی بالایی از میکروب های موجود در داخل برگ ها باشد.

یک برگ از یک گیاه سالم Arabidopsis (سمت چپ) و یک برگ از یک گیاه جهش یافته دیس بیوسیس (راست). شنگ یانگ هه, CC BY-SA

دوم ، یک تغییر شدید در تنوع میکروب ها وجود دارد. مثلاً در حالت عادی Arabidopsis دارد برگهای گیاه ، انواع باکتریها در داخل برگ زندگی می کنند. در مقابل ، تنوع کلی باکتریها در جهش های دیس بیوتیک بسیار کاهش می یابد ، که نشان می دهد گیاهان سالم تنوع میکروبی را افزایش می دهند ، احتمالاً برای افزایش مزایای سلامت گیاه.

سوم ، در حالی که باکتری هایی که متعلق به قلعه هستند فرمیکوت در داخل نوع وحشی فراوان است Arabidopsis دارد برگ ، فراوانی به طور قابل توجهی در جهش های ژنتیکی ما کاهش می یابد. علاوه بر این ، ما شاهد افزایش چشمگیری در تعداد باکتریهای مضر داخل برگهای جهش یافته دیس بیوز هستیم. برای ما جالب است که برخی از این تغییرات میکروبیوتا در بیماران التهابی روده در بیماران انسانی نیز مشاهده می شود و این امر موازی سازی مفهومی را در ایجاد دیس بیوزیس در انسان و گیاه نشان می دهد.

بعدی چیست؟

ما از شناسایی چندین ژن گیاهی و فرآیندهای موثر در جلوگیری از دیس بیوز هیجان زده هستیم. ژن های کنترل کننده میکروبیوتا که در آنها شناسایی شده ایم Arabidopsis دارد در ژنوم بسیاری از گیاهان دیگر یافت می شود ، که نشان می دهد یافته های ما کاربرد گسترده ای دارد.

در آینده ، ما می توانیم با تغییر این ژن های میزبان آزمایش کنیم ، که ممکن است به رویکردهای مبتنی بر میکروبیوتا منجر شود که سلامت گیاه را بهبود می بخشد. به عنوان مثال ، از فن آوری های ویرایش ژن می توان برای ایجاد یک بیوم سالم در برگ های گیاه با افزایش بیان ژن های خاص استفاده کرد. یک میکروبیوم مصنوعی سالم ممکن است به عنوان پروبیوتیک برای جلوگیری از دیس بیوسیس در گیاهان فرموله شود وعده داده شده است که پروبیوتیک ها سلامت میکروبیوم روده انسان را بهبود می بخشند.

نکته قابل توجه ، جهش در ژن های مربوط به سیستم ایمنی بدن یک فرد شناخته شده است عامل خطر برای ایجاد بیماری التهابی روده در انسان شاید ، تحقیقات آینده ویژگی های مشترک بیشتری را در چگونگی تعامل گیاهان و انسان با میکروبیوتای مربوطه برای جلوگیری از بیماری پیدا کند.

سهولت مطالعات ژنتیکی در گیاهان ، مانند Arabidopsis ، این امکان را نیز فراهم می کند که محققان بتوانند ژن های بیشتری را که در حفظ سلامت میکروبیوتا در افراد و گیاهان نقش دارند ، شناسایی کنند.

درباره نویسنده

شنگ یانگ هه ، استاد برجسته دانشگاه ، محقق HHMI ، دانشگاه ایالتی میشیگان

این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.

نشستند