Построение моделей для прогнозирования взаимодействий в микробиомах растений

Микробиомы, такие как сообщества бактерий и грибов на листьях растений, оказывают глубокое влияние на здоровье хозяина и могут сделать сельское хозяйство более устойчивым. Однако правила, определяющие формирование этих сообществ, оставались неясными.

Исследовательская группа под руководством профессора ETH Zurich Юлии Форхольт выявила организующий принцип для бактерий, живущих на листьях модельного растения Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля). Они разработали набор моделей, которые используют пищевые предпочтения и метаболические возможности отдельных штаммов бактерий, чтобы предсказать, как эти микробы конкурируют или сотрудничают друг с другом.

Исследование опубликовано в журнале Science.

Конкуренция за ресурсы ведет к определенным взаимодействиям

Поскольку все бактерии зависят от органических молекул как от пищи, ученые задались вопросом: можно ли, зная, какие пищевые молекулы они могут метаболизировать, предсказать характер их взаимодействия?

Для ответа на этот вопрос исследователи протестировали способность более 200 репрезентативных штаммов бактерий с листьев Arabidopsis thaliana расти на 45 различных источниках углерода. Эти «углеродные профили» показали обширное перекрытие пищевых ниш, что указывает на жесткую конкуренцию за ресурсы.

Моделирование и проверка

Используя углеродные профили, ученые построили надежные метаболические модели для всех штаммов и смоделировали взаимодействия между более чем 17 500 парами бактерий. Симуляции показали явное доминирование негативных взаимодействий, вызванных конкуренцией.

Несмотря на это, модели также предсказали позитивные взаимодействия. Более детальный анализ показал, что эти кооперативные взаимодействия можно объяснить обменом органическими и аминокислотами.

Эксперименты на растениях подтвердили предсказания моделей с точностью 89%. "Высокая степень надежности говорит о том, что наши исходные предположения о важности метаболических характеристик были верны", — отмечает соавтор Алан Пачеко.

Применение для целенаправленного дизайна микробиома

"Что хорошо в наших моделях, так это то, что они работают и в обратном направлении, — говорит Юлия Форхольт, — их можно использовать для выявления механизмов, запускающих определенные паттерны взаимодействия". Это открывает путь к целенаправленному дизайну микробиомов, что является ключевым условием для приложений в сельском хозяйстве.

Результаты исследования важны не только для фундаментальной науки, но и для прикладных задач, таких как поиск микробов для устойчивой защиты урожая. Предсказательные модели сыграют ключевую роль в реализации потенциала микробиомов для здоровья, сельского хозяйства и окружающей среды.