Solrosor är inte bara vackra sommarsymboler – de är också ekonomiskt betydelsefulla och rankas som den fjärde viktigaste oljeväxtgrödan i världen, och ny forskning tyder på att vissa bakterier kan hjälpa till att skydda grödan från förstörelse av vitmögel.
Solrosor kan skördas för ett antal produkter inklusive frön och olja, för vilka konsumenternas efterfrågan har ökat avsevärt de senaste åren. De kan också bidra till klimattålighet, konstaterar forskare, eftersom de kan anpassa sig till olika väderförhållanden och solrosgroddar innehåller näringsämnen som kan främja människors hälsa.
Tyvärr, liksom många andra växter, är solrosor mottagliga för sjukdomar, vilket kan orsaka betydande skördeförluster. Till exempel är vitmögel, som orsakas av svamppatogenen Sclerotinia sclerotiorum, ansvarig för genomsnittliga årliga solrosförluster på mer än 1 %. Det kan också påverka bönor, auberginer, sallad, jordnötter, potatis och sojabönor, och i vissa fall förstöra 100 % av skördarna.
Medan tillvägagångssättet för att hantera sjukdomar som vitmögel vanligtvis har fokuserat på växtgenetik, publicerades en studie i Molecular Ecology och ledd av University of Colorado Boulder forskare föreslår att samhällen av mikroskopiska organismer runt växternas rötter också spelar en stor roll, och att växtgenetisk variation faktiskt påverkar associerade mikrobiomer.
Forskningen inkluderade en växthusstudie samt ett fältexperiment som forskarna genomförde med olika raser av solrosor vars DNA de extraherade och sekvenserade.
Tjugo växter av varje solrosras odlades i ett enda fält som forskare förväntade innehålla mikrober som var fientliga mot Sclerotinia-patogenen. Vissa av växterna var infekterade, medan andra inte var det, vilket var nödvändigt för att skilja mellan mikrober som var relevanta för studien och de som utnyttjade vävnadsdöden orsakad av Sclerotinia.
I växthusexperimentet odlades solrosor i jord som togs från samma miljö som användes i fältexperimentet, varav hälften hade steriliserats för att avlägsna eventuella mikrober.
Växterna infekterades och utvärderades för deras motståndskraft mot sjukdomen, vilket gjorde det möjligt för forskare att fastställa mikrobernas betydelse för resultaten som olika solrosraser upplevde i fältexperimentet. Om solrosorna som odlades i steril jord var mindre motståndskraftiga mot sjukdomar, skulle detta visa att mikroberna gav sina växter sjukdomsresistens.
Forskarna lärde sig att 42 typer av mikrober var associerade med sjukdomsresistens. Växthusexperimentet visade att dessa mikrober är mycket viktiga för resistens mot växtsjukdomar, eftersom solrosorna i steril jord dog så många som 19 dagar tidigare än deras motsvarigheter.
Därefter associerades förekomsten av huvudmikroberna med de olika växternas genetiska egenskaper, och forskare fann att vissa gener motsvarade ett ökat överflöd av mikroberna.
Allt detta tyder på att olika raser av solros har anpassat sig genetiskt för att öka antalet hjälpsamma mikrober i närliggande jord och därigenom förbättra deras motståndskraft mot vitmögel, drog forskarna slutsatsen. Eftersom sambandet mellan växt och mikrob är genetiskt kan det ärvas och det är därför möjligt att odla denna resistens genom bland annat förädling.
Innan studien var det oklart hur stor effekt mikrobiella samhällen har på resistens mot växtsjukdomar, säger Nolan Kane, docent i ekologi och evolutionsbiologi vid CU Boulder och noterad solrosforskare.
"Det finns säkert några dokumenterade fall av att detta är viktigt", säger han, "men för de flesta patogener har växter rätt allel vid den här genen, och de kommer att vara resistenta mot den patogenen, och om de inte har höger allel, då blir de mottagliga.
"(Människor) har ett mycket komplext immunsystem som kan känna igen nya proteiner hela tiden. Växter har ett väldigt annorlunda immunsystem som ofta förenklas ner till bara en gen som upptäcker patogenen. Om patogenproteinet är en version som genen kan upptäcka, kommer växten att vara resistent, men om det inte finns rätt matchning kommer växten att vara mottaglig."
Till skillnad från mänskliga immunsystem, registrerar inte växternas immunsystem varje mikrob som de har bekämpat. Istället känner de igen molekylära mönster förknippade med sjukdomar med hjälp av specialiserade receptorer. Varje typ av receptor kan bara interagera med molekyler av speciella former, som passar ihop som matchande pusselbitar. När denna kontakt väl har skapats signalerar receptorn ett försvarssvar.
När det gäller solrosorna som Kane och hans forskarkollegor studerade, åtminstone för Sclerotinia, är det mer komplicerat. "Det här var ett fall där vi verkligen trodde att det kunde vara en viktig roll för mikrobiomet eller någon annan miljökomponent", säger Kane. Som forskarna upptäckte var fyra typer av bakterier starkt korrelerade med solrosors resistens mot svamppatogenen, vilket tyder på att deras intuition var korrekt.
Kane säger dock, "Det fanns många mikrober som var korrelerade med varandra", vilket betyder att effekten kan vara ett resultat av hela samhället snarare än bara dessa fyra typer av bakterier, som kallas operationella taxonomiska enheter (OTU).
Fortfarande, fortsätter Kane, "De fyra som vi lyfte fram är starkast korrelerade med patogenresistens, och när vi kontrollerar för dessa fyra, var ingen av de andra korrelerade OTU:erna signifikanta i samband med sjukdomen," även om de fyra huvudsakliga bakterierna förmodligen inte kunde förbättra sjukdomsresistensen individuellt, eftersom "många av dessa mikrober inte växer särskilt bra av sig själva, eller inte beter sig på samma sätt när de odlas på egen hand."
Forskarna fann att ju fler av dessa fyra bakterier det fanns i jorden runt växterna, desto bättre klarade de sig mot Sclerotinia sclerotiorum. Så, hur kan växter dra nytta av dessa bakterier, och vad har detta med växtgenetik att göra?
Som det visar sig kan växter odla en gemenskap av användbara mikrober i markområdet runt sina rötter, vilket är känt som rhizosfären.
"I allmänhet finns det föreningar som växter kan utsöndra som antingen hämmar vissa mikrober eller främjar deras tillväxt", förklarar Kane. Fotosyntes, den process som växter använder för att omvandla ljus till användbar energi, producerar många kolhydratmolekyler som socker och stärkelse.
Av denna anledning säger Kane, "Många av deras interaktioner med mikrober involverar socker eller kolhydrater som ges av växterna, och växterna drar nytta av att få tillbaka kväve eller något annat som de behöver."
Växter har liknande typer av symbiotiska relationer med svampar som de tjänar på att främja. Kväve är bara ett exempel på fördelarna som växter får av sina symbiotiska relationer:"I studien vi gjorde vet vi inte att det nödvändigtvis är samma mekanism, men det är troligt att det finns någon sorts rotutsöndringar som formar mikrobiomet, säger Kane. "Det är en av nyckelmekanismerna växter använder."
Det sätt som växter interagerar med mikrober i rhizosfären beror på deras gener. Av denna anledning kunde forskarna associera de fyra typerna av bakterier med mycket specifika delar av solrosornas genetiska koder.
Studien hade också andra signifikanta fynd. Den visade att fyra av de 40 solrosproverna som studerades motstod Sclerotinia även utan skydd av hjälpsamma bakterier. De presterade sämre i steriliserad jord än jord med bakterier men hade det betydligt bättre än de andra proverna.
"Det kan vara någon form av förmåga att svara på patogenen på sätt som var skyddande", säger Kane. "Vi vet ännu inte om det skulle vara ett användbart avelsmål eftersom det kan finnas avvägningar, eller det kan ha begränsade eller inga skyddande effekter under normala förhållanden." Ändå "visar det att hela historien inte bara är mikroberna. Det finns en viktig komponent, även om den är mindre, relaterad till den inneboende växtgenetiken."
Forskningen inspirerade till ytterligare frågor om kostnaderna och fördelarna med symbiosen med mikroberna, de molekylära mekanismerna som är ansvariga för variationen av symbiosen och betydelsen av interaktioner mellan genotyp och miljöfaktorer.
Kane säger att han och hans forskarkollegor "undersöker några av dessa linjer i mer olika miljöer över hela USA och försöker identifiera om dessa mikrobiella associationer är mycket allmänna över ett brett spektrum av miljöer, eller om de är mycket specifika för bara en miljö."
Eftersom dessa studier utförs på jordbrukarnas åkrar kommer de växter som undersöks inte att exponeras för patogener. Istället kommer forskarna att fokusera på växternas associationer till mikroberna, säger Kane.
På samma sätt säger Kane, "Att se dessa genetiska effekter i den här miljön på så många olika mikrober var verkligen spännande eftersom det tyder på att solrosorna som vi använde i den här studien har en intressant variation som kan associeras med ett brett utbud av olika egenskaper som vi tittade inte på, men att det skulle bli riktigt spännande att titta på i framtida arbete."
Många grödor har förlorat några av sina mikrobiella associationer genom avel, säger Kane, men det var inte ett problem med studiens population, vilket gör den potentiellt värdefull för framtida forskning.
Studien ger fortfarande en uppfattning om hur mikrobiella föreningar kan användas för att skydda växter på egen hand. Det enklaste sättet att göra detta är genom att selektivt förädla växter för gener som motsvarar ett ökat överflöd av hjälpsamma mikrober i rhizosfären.
"Utöver aveln", förklarar Kane, "kan olika jordbruksmetoder och miljömetoder främja hjälpsamma samhällen eller hämma skadliga samhällen." I fall där de användbara mikroberna inte redan finns, kan det också vara viktigt att applicera dem på fält.
"Det skulle förmodligen vara en kombination av mer än en av de olika sakerna," säger Kane. Det finns några bioteknikföretag som redan arbetar med nyttiga mikrobiella "hopkok" för vissa grödor, som kan appliceras på fält eller beläggas med växtfrön.
Den här studien "kan hjälpa, säkerligen med solrosförädling," avslutar Kane, men också "hjälpa oss att förstå hur man mer effektivt föder upp andra arter, och även en del grundläggande vetenskap om inte bara hur växter interagerar med sin miljö, utan hur hela samhället under jorden verkar för att påverka den interaktionen."
Mer information: Cloe S. Pogoda et al, Ärftliga skillnader i förekomst av bakteriella rhizosfärtaxa är korrelerade med nekrotrofisk patogenresistens från svampar, Molecular Ecology (2023). DOI:10.1111/mec.17218
Journalinformation: Molekylär ekologi
Tillhandahålls av University of Colorado i Boulder
