Растения контролируют разнообразие микробиома внутри листьев для поддержания здоровья

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, показывает, как гены растений отбирают, какие микробы могут жить внутри их листьев, чтобы оставаться здоровыми.

Это первое исследование, демонстрирующее причинно-следственную связь между здоровьем растения и формированием микробного сообщества в филлосфере — надземных частях растений. Работа предполагает, что организмы, от растений до животных, могут использовать сходную стратегию для контроля своих микробиомов.

Гены растений: привратники для микробов

В природе растения подвергаются воздействию огромного количества микробов. Учёные хотели выяснить, имеют ли значение количество и типы микробов, существует ли идеальный состав микробиома и есть ли у растений генетическая система для поддержания правильного микробиома.

Оказалось, что есть. Новый механизм включает две генетические сети: одну, связанную с иммунной системой растения, и другую, контролирующую уровень гидратации внутри листьев. Обе сети работают вместе, чтобы отбирать, какие микробы выживают внутри листьев.

Когда обе сети удаляют из растения, состав микробиома в листьях меняется: количество и смесь типов бактерий становятся аномальными, и у растений появляются симптомы повреждения тканей. Эти симптомы концептуально похожи на симптомы, связанные с воспалительным заболеванием кишечника у людей. Это может быть первым случаем формального описания болезни, связанной с дисбиозом, в царстве растений.

Разработка новой технологии для определения причинно-следственной связи

Чтобы обойти проблему сложности выделения причинности среди огромного количества микробов, лаборатория разработала безмикробную камеру для выращивания — гнотобиотическую систему. В этой стерильной среде на основе торфа растения выращивают в отсутствие микробов, а затем в контролируемом режиме вводят их.

Эксперименты показали, что для здоровья растения необходимы как правильный состав микробиома, так и работающая генетическая система растения. Растение с дефектными генами не могло воспользоваться преимуществами микробиома, пересаженного от здорового растения. Здоровое растение, подвергнутое воздействию микробиома больного растения, также страдало, так как не могло исправить ситуацию из-за ограниченного и аномального набора микробов.

Уровень и состав микробов имеют значение

Оказалось, что увеличение разнообразия микробиома коррелирует со здоровьем растения. Гены растений выступают в роли привратников, поощряющих это разнообразие.

У больных растений в листе было в 100 раз больше микробов, чем у здорового, но популяция была менее разнообразной. В больных растениях доля штаммов протеобактерий (многие из которых вредны для растений) выросла с двух третей в здоровом микробиоме до 96% в аномальной популяции. Количество штаммов фирмикутов (многие из которых могут быть полезны растениям) снизилось.

Учёные предполагают, что, возможно, когда популяция микробиома аномально высока, микробы физически слишком близки друг к другу и начинают бороться за ресурсы, где побеждают более агрессивные (в данном случае вредные) штаммы. Здоровые растения, по-видимому, предотвращают такой захват.

Общая картина: поддержание здоровья растений

Исследование — ещё один пример того, как разнообразие важно для поддержания здоровых живых систем. Каждый тип микроба может давать растениям различные преимущества, такие как повышенный иммунитет, устойчивость к стрессу или усвоение питательных веществ.

Учёные стремятся научиться манипулировать генетической системой растений для перенастройки их микробиома. Это может сделать растения более эффективными в выборе микробных партнёров и улучшить их здоровье, устойчивость и продуктивность.