Использование метагеномики для изучения скрытых микробов растений
Несмотря на то, что микробов на Земле больше, чем звёзд в галактике, изучена лишь их крошечная часть. По мнению исследователей из Penn State, подход под названием метагеномика — тип секвенирования ДНК — может помочь учёным больше узнать об этих неуловимых организмах.
На одном грамме листьев может находиться до 100 миллионов бактериальных клеток, а в зоне вокруг корней растения — до 1 триллиона бактерий, что даёт микробам множество возможностей как помочь, так и навредить здоровью растения, заявила Вероника Роман-Рейна, доцент кафедры патологии глобальных изменений. Однако подавляющее большинство этих микробов невозможно изучить традиционными методами.
Роман-Рейна вместе с Шарифой Крэндалл недавно опубликовала статью об использовании метагеномики в журнале Frontiers in Plant Science.
Важность изучения микробных сообществ
Фито-патогены угрожают всем растениям, включая продовольственные культуры, что потенциально может усугубить проблему отсутствия продовольственной безопасности в мире. Например, только грибковые патогены могут привести к потерям урожая на 10–20%, согласно данным Министерства сельского хозяйства США.
При изучении фитопатологии важно не только выявить патогены, но и рассмотреть более широкий контекст, поскольку патоген взаимодействует не только с растением, но и с его микробиомом. Взаимодействие патогена с микробным сообществом может либо поддержать его способность к заражению, либо создать конкуренцию, ограничивающую тяжесть заболевания. Понимание микробных сообществ в среде растения даёт ценную информацию о динамике развития болезней и потенциальных стратегиях контроля.
Что такое метагеномика?
Обычно микробы, такие как бактерии и грибы, изучают путём изоляции и культивирования каждого организма в лаборатории. Однако большинство микробов нельзя изучить таким образом, и они остаются невидимыми.
Метагеномика — это изучение генетического материала (ДНК), полученного непосредственно из всех организмов в образцах окружающей среды (листья, почва, воздух, дождевая вода) и проанализированного на разнообразие, структуру и функцию. Этот подход позволяет исследователям одновременно анализировать множество микроорганизмов из одного общего образца, давая представление о всём микробном сообществе в данной среде без необходимости культивировать каждый организм по отдельности.
Зачем внедрять этот подход в исследования растений?
В фитопатологии есть возможность использовать метагеномику с двух точек зрения: микробной экологии и диагностики заболеваний.
- С точки зрения микробной экологии это помогает понять микробные взаимодействия и функции, связанные с болезнью, включая то, как микробы общаются и обмениваются генами (например, генами устойчивости к антибиотикам).
- С диагностической точки зрения метагеномика позволяет оценивать разнообразие патогенов, отслеживать их и сравнивать в разных локациях со схожими заболеваниями. Она также обеспечивает быстрое обнаружение патогенов, которые трудно культивировать, предлагая мощный, беспристрастный инструмент для идентификации всех потенциальных патогенов в образце.
Что может дать метагеномика?
В фитопатологии метагеномика может помочь понять причины вспышек заболеваний растений, такие как появление новых видов, возвращение известных микробов, адаптация патогена к хозяину или изменения, влияющие на микробные сообщества растений.
Она расширила наши возможности по цифровой регистрации возбудителей болезней растений и разнообразия патогенов. Метагеномика также позволяет исследовать болезни растений без предварительного знания о патогенах, преодолевая ограничения, связанные с некультивируемыми организмами.