Una pianta Arabidopsis di tipo selvatico sano (a sinistra) e una pianta mutante che soffre di uno squilibrio microbico (a destra). Sheng-Yang He, CC BY-SA

Molti di noi ne hanno sentito parlare malattia infiammatoria intestinale, una condizione debilitante associata a una raccolta anormale di microbi nell'intestino umano, nota come microbioma intestinale. Il mio laboratorio ha recentemente scoperto che, come gli esseri umani, anche le piante possono sviluppare questa condizione, nota come disbiosi, con gravi conseguenze.

Come parte di questo studio, i miei colleghi ed io abbiamo scoperto che alcuni geni e processi coinvolti nel controllo della disbiosi nelle piante possono essere simili a quelli negli esseri umani. La scoperta della disbiosi nel regno vegetale apre nuove possibilità per stimolare l'innovazione nella salute delle piante e nella sicurezza alimentare globale.

Sono un microbiologo vegetale interessato a come le piante e i microbi interagiscono tra loro. Sebbene la nostra ricerca in passato si sia concentrata su dettagli molecolari delle infezioni patogene, questo lavoro ha portato il mio laboratorio nell'affascinante mondo del microbioma vegetale.

Le piante hanno microbiomi?

Quando gli scienziati affermano che i "batteri intestinali" umani dovrebbero essere ben bilanciati, si riferiscono al materiale genetico di tutti i microbi che vivono nei sistemi digestivi umani, o al microbioma intestinale. Anche le piante hanno microbiomi? La risposta è si.

In effetti, le parti della pianta che crescono fuori terra, chiamate fillosfera, e quelle parti che crescono sotto, chiamate rizosfera, forniscono uno dei più grandi habitat per la colonizzazione microbica sulla Terra. Entrambi sono vitali per la vita umana sulla Terra.

La fillosfera assorbe l'anidride carbonica per la fotosintesi, necessaria per costruire la biomassa ed è una fonte primaria di cibo, combustibili, fibre e medicinali. La fotosintesi rilascia anche ossigeno affinché gli animali e gli esseri umani possano respirare, motivo per cui le piante sono spesso considerate i polmoni del nostro pianeta. La rizosfera, invece, assorbe acqua e sostanze nutritive dal suolo.

Numerosi studi hanno dimostrato che i microbi delle piante aiutano le piante a estrarre i nutrienti dal suolo e ad affrontare siccità, agenti patogeni, insetti e altri stress.

Studi ecologici hanno anche notato che maggiore è la diversità dei microbi che vivono sulle foglie delle piante, più le piante sembrano essere produttive.

Oggi, la maggior parte degli scienziati delle piante ritiene che le strategie globali per garantire la produttività delle colture e la sicurezza alimentare debbano considerare il microbioma delle piante. L'Organizzazione delle Nazioni Unite per l'alimentazione e l'agricoltura lo stima fino al 40% delle colture alimentari vengono persi a causa di parassiti e malattie delle piante ogni anno e l'Assemblea generale delle Nazioni Unite ha dichiarato il 2020 Anno internazionale della salute delle piante.

Alcuni microbi sono associati alle foglie e ai germogli, mentre un altro insieme distinto vive tra le radici. Sheng-Yang He, CC BY-SA

In che modo le piante mantengono sano il microbiota?

Data l'importanza del microbiota - la specifica comunità di microbi che vivono sopra o vicino alle piante - per la salute delle piante, abbiamo ragionato che le piante devono aver sviluppato una sofisticata rete genetica per selezionare il giusto mix di microbi.

Se ciò è vero, sapere quali geni delle piante influenzano i tipi di microbi che circondano la pianta potrebbe guidare la ricerca futura per ottimizzare i microbiomi delle piante per aiutare le piante a crescere meglio, più forti e per produrre più biomassa e resa.

In effetti, il mio gruppo ha ora identificato alcuni di questi geni che controllano il microbiota nella pianta modello Arabidopsis thaliana.

Abbiamo scoperto che diversi geni coinvolti nell'immunità delle piante e nel bilancio idrico sono fondamentali per la selezione e il mantenimento di un microbiota sano all'interno Arabidopsis foglie di piante.

Quando abbiamo rimosso questi geni identificati dalle piante, il file Arabidopsis i mutanti delle piante non potevano ospitare il corretto mix di microbi e mostravano sintomi di disbiosi, comprese foglie morte o ingiallite. Per quanto ne sappiamo, questo era il file prima volta gli effetti negativi della disbiosi sono stati documentati in modo causale nel regno vegetale.

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Caratteristiche interessanti delle piante "malate"

I miei colleghi ed io abbiamo osservato alcune caratteristiche notevoli di disbiosi nel nostro mutante Arabidopsis piante.

In primo luogo, i mutanti della disbiosi tendono ad avere un livello anormalmente alto di microbi che vivono all'interno delle foglie.

Una foglia di una pianta sana di Arabidopsis (a sinistra) e una foglia di una pianta mutante di disbiosi (a destra). Sheng-Yang He, CC BY-SA

In secondo luogo, c'è un drastico cambiamento nella diversità dei microbi. Ad esempio, in condizioni normali Arabidopsis foglie delle piante, ci sono tutti i tipi di batteri che vivono all'interno della foglia. Al contrario, la diversità complessiva dei batteri è notevolmente ridotta nei mutanti disbiotici, suggerendo che le piante sane promuovono la diversità microbica, presumibilmente per aumentare i benefici per la salute delle piante.

In terzo luogo, mentre i batteri che appartengono al phylum Fermicuti sono abbondanti all'interno di wild-type Arabidopsis foglie, l'abbondanza è notevolmente ridotta nei nostri mutanti genetici. Inoltre, abbiamo visto un drammatico aumento del numero di batteri nocivi all'interno delle foglie mutanti della disbiosi. Troviamo interessante il fatto che alcuni di questi cambiamenti del microbiota siano osservati anche in pazienti umani con malattie infiammatorie intestinali, suggerendo parallelismi concettuali nello sviluppo della disbiosi negli esseri umani e nelle piante.

Qual è il prossimo passo?

Siamo entusiasti della nostra identificazione di diversi geni e processi vegetali coinvolti nella prevenzione della disbiosi. I geni che controllano il microbiota in cui abbiamo identificato Arabidopsis si trovano nei genomi di molte altre piante, suggerendo che i nostri risultati potrebbero avere un'ampia applicabilità.

In futuro, potremmo sperimentare la modifica di questi geni ospiti, il che potrebbe portare ad approcci basati sul microbiota che migliorano la salute delle piante. Ad esempio, le tecnologie di modifica genetica potrebbero essere utilizzate per creare un bioma sano nelle foglie delle piante migliorando l'espressione di geni specifici. Un microbioma sano sintetico può essere formulato come probiotico per prevenire la disbiosi nelle piante, tanto quanto è stato promesso che i probiotici miglioreranno la salute del microbioma intestinale umano.

Da notare, le mutazioni nei geni legati al sistema immunitario di una persona sono ben note fattore di rischio per lo sviluppo di malattie infiammatorie intestinali negli umani. Forse, la ricerca futura troverà caratteristiche più condivise nel modo in cui le piante e gli esseri umani interagiscono con il rispettivo microbiota al fine di prevenire le malattie.

La facilità degli studi genetici sulle piante, come l'Arabidopsis, offre anche la possibilità che i ricercatori saranno in grado di identificare più geni coinvolti nel preservare la salute del microbiota nelle persone e nelle piante.

L'autore

Sheng-Yang He, Distinguished Professor dell'Università, Investigatore HHMI, Michigan State University

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

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