När den globala befolkningen ökar, beräknas nå nästan 10 miljarder år 2050, det gör också behovet av att öka skörden och producera tillräckligt med växtmaterial för både mat och hållbara alternativa bränslen. För att hjälpa till att förbättra växtförädlingsstrategier och övervinna utmaningar som att göra växter mer toleranta mot marginella marker, och påfrestningar som torka och låg tillgång på näringsämnen, forskare fokuserar på att förstå och främja fördelaktiga växt-mikrob-relationer.

Publicerad 18 december, 2017 nummer i Naturgenetik , ett team ledd av forskare vid U.S. Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI), en användaranläggning för DOE Office of Science, och Howard Hughes Medical Institute vid University of North Carolina i Chapel Hill (UNC) har utnyttjat en katalog av bakteriegenom för att identifiera och karakterisera kandidatgener som hjälper bakterier att anpassa sig till växtmiljöer, specifikt gener involverade i bakteriell rotkolonisering.

De flesta studier på området hittills har fokuserat på växtmikrobiomets samhällsstruktur, dvs "vem är där, " och mindre om funktionen, dvs "vad de gör, hur och när de gör det." Tidigare studier som har övervägt funktion har främst tittat på en enskild värd-mikrob-interaktion, som den mellan en Arabidopsis-växt och en patogen.

"Om vi ​​vill konstruera rätt mikrobiom för att stödja växttillväxt, vi måste förstå mikrobiomets verkliga funktion och inte bara sekvensmarkörgener, " sa studiens första författare Asaf Levy, en forskare vid JGI. "Här använde vi en massiv genomisk och beräkningsansträngning för att ta itu med den grundläggande och viktiga frågan:'Hur interagerar växtmikrobiomet med växten?'"

Det mesta av interaktionen mellan mikrober och växter sker i gränsytan mellan rötterna och jorden. Forskare från UNC, Oak Ridge National Lab, och Max Planck Institute isolerade nya bakterier från rotmiljön av Brassicaceae (191), poppelträd (135), och majs (51). Genomen av dessa 377 bakterieisolat, plus ytterligare 107 enstaka bakterieceller från rötter av A. thaliana, sekvenserades sedan, monterade, och kommenterade vid JGI.

Författarna kombinerade sedan de nya genomen med tusentals allmänt tillgängliga genom som representerar huvudgrupperna av växtassocierade bakterier, och inkluderade bakterier från flera växt- och icke-växtmiljöer, som den mänskliga tarmen, för jämförelse. Den resulterande databasen med 3837 genom, 1160 av dem är från växter, användes i en jämförande genomikanalys.

Forskarna identifierade sedan gener som är berikade i arvsmassan hos växtassocierade och rotassocierade organismer.

"Det är mycket viktigt för oss att förstå vilka gener och funktioner mikrober använder för att kolonisera växter, för först då kan vi ha en chans att rationellt ta fram användbar "växtprobiotika" för att hjälpa oss att odla mer mat- och energigrödor med färre kemiska insatser som gödningsmedel och bekämpningsmedel eller fungicider, " sa studie senior författare Jeff Dangl, en utredare från Howard Hughes Medical Institute och John N. Couch professor i biologi vid University of North Carolina i Chapel Hill

Bland de viktigaste insikterna från studien var att växt- och jordassocierade genom tenderar att vara större än kontrollgenom från samma klad. Detta visade sig delvis bero på anrikning av gener involverade i sockermetabolism och transport, sannolikt en anpassning till fotosyntes-härlett växtkol, genererade av naturens "godisfabriker, " sa Asaf Levy. Upp till 20 % av kolet som fixeras av växter genom fotosyntes utsöndras genom rötterna som sockerarter för att attrahera mikrober.

Många gener som verkar efterlikna växtfunktioner – genom att koda för "Plant-Resembling PA and RA Domains" eller PREPARADOs – identifierades också. "Det är välkänt att växtpatogener använder proteiner som efterliknar växtdomäner som krävs för immunfunktion, ", sade Dangl. "Föreställ dig att patogenen injicerar direkt in i växtcellen ett protein som efterliknar en del av en speciell immunsystemmaskin. Det är som att sätta en delvis defekt kugg i ett hjul – hjulen kan inte snurra längre. Vi tror att de växtrelaterade proteindomänerna som vi identifierade kan fungera på samma sätt."

Snabbt utvecklande gener är ofta en signatur för en molekylär kapprustning mellan organismer som delar en miljö. Dessa gener används ofta i brott eller försvar mot andra organismer. Två nya snabbt utvecklande proteinfamiljer associerade med olika "livsstilar" för relaterade växtassocierade bakterier identifierades i studien. Ett, finns i kommensala bakterier, kallades "Jekyll"; den andra, finns i patogena bakterier, fick namnet "Hyde". Med medarbetare från Virginia Tech och ETH (Schweiz), JGI-forskare upptäckte att de senare är mycket effektiva när det gäller att döda konkurrerande bakterier, potentiellt för att hjälpa dessa "hyder" att ta över lövnischen.

Den kompletta katalogen av nya genom och växtassocierade gener är tillgänglig för forskarvärlden genom en dedikerad webbportal:Genomic Features of Bacterial Adaptation to Plants.

"Databasen är en värdefull resurs för forskarsamhället som studerar interaktioner mellan växter och mikrober eftersom det är ett opartiskt sätt att identifiera potentiellt intressanta gener som är involverade i interaktion med en växt - inklusive många helt nya gener. Vi studerar för närvarande experimentellt funktionen hos många av dessa gener för att få en bättre funktionell förståelse av växtmikrobiomet." sa Levy.