نبتة أرابيدوبسيس صحية من النوع البري (يسار) ونبات متحور يعاني من اختلال التوازن الميكروبي (يمين). شنغ يانغ هي, CC BY-SA

لقد سمع الكثير منا عنها مرض التهاب الأمعاء، حالة منهكة مرتبطة بمجموعة غير طبيعية من الميكروبات في الأمعاء البشرية - تُعرف باسم ميكروبيوم الأمعاء. مختبري وجد مؤخرًا أنه ، مثل البشر ، يمكن للنباتات أيضًا تطوير هذه الحالة ، المعروفة باسم dysbiosis ، مع عواقب وخيمة.

كجزء من هذه الدراسة، اكتشفت أنا وزملائي أن بعض الجينات والعمليات المشاركة في السيطرة على دسباقتريوز في النباتات قد تكون مشابهة لتلك الموجودة في البشر. يفتح اكتشاف دسباقتريوز في المملكة النباتية إمكانيات جديدة لتحفيز الابتكار في مجال صحة النبات والأمن الغذائي العالمي.

أنا متخصص في علم الأحياء المجهرية النباتية مهتم بكيفية تفاعل النباتات والميكروبات مع بعضها البعض. على الرغم من أن أبحاثنا في الماضي قد تركزت على التفاصيل الجزيئية للعدوى المسببة للأمراض، قاد هذا العمل مختبري إلى عالم رائع من الميكروبيوم النباتي.

هل النباتات بها ميكروبيوم؟

عندما يقول العلماء إن "بكتيريا الأمعاء" البشرية يجب أن تكون متوازنة بشكل جيد ، فإنهم يشيرون إلى المادة الوراثية لجميع الميكروبات التي تعيش في الجهاز الهضمي البشري ، أو ميكروبيوم الأمعاء. هل تحتوي النباتات أيضًا على ميكروبيوم؟ الجواب نعم.

في الواقع ، فإن أجزاء النبات التي تنمو فوق سطح الأرض ، والتي تسمى phyllosphere ، والأجزاء التي تنمو أدناه ، والتي تسمى rhizosphere ، توفر واحدة من أكبر الموائل لاستعمار الميكروبات على الأرض. كلاهما حيوي لحياة الإنسان على الأرض.

يمتص الغلاف الجوي ثاني أكسيد الكربون من أجل التمثيل الضوئي ، وهو أمر ضروري لبناء الكتلة الحيوية وهو مصدر أساسي للغذاء والوقود والألياف والأدوية. يطلق التمثيل الضوئي أيضًا الأكسجين للحيوانات والبشر للتنفس ، ولهذا السبب غالبًا ما تُعتبر النباتات رئتي كوكبنا. من ناحية أخرى ، يمتص الغلاف الجذور الماء والمغذيات من التربة.

العديد من الدراسات أظهرت أن الميكروبات النباتية تساعد النباتات على استخلاص العناصر الغذائية من التربة والتعامل مع الجفاف ومسببات الأمراض والحشرات وغيرها من الضغوط.

دراسات بيئية لاحظوا أيضًا أنه كلما زاد تنوع الميكروبات التي تعيش على أوراق النبات ، زادت إنتاجية النباتات.

اليوم ، يعتقد معظم علماء النبات أن الاستراتيجيات العالمية لضمان إنتاجية المحاصيل والأمن الغذائي يجب أن تأخذ في الاعتبار ميكروبيوم النباتات. تقدر منظمة الأغذية والزراعة التابعة للأمم المتحدة ذلك ما يصل إلى 40٪ من المحاصيل الغذائية تُفقد بسبب الآفات والأمراض النباتية سنويًا ، وأعلنت الجمعية العامة للأمم المتحدة عام 2020 السنة الدولية لصحة النبات.

ترتبط بعض الميكروبات بالأوراق والبراعم ، بينما تعيش مجموعة أخرى مميزة بين الجذور. شنغ يانغ هي, CC BY-SA

كيف تحافظ النباتات على صحة الجراثيم؟

نظرًا لأهمية الجراثيم - المجتمع المحدد للميكروبات التي تعيش على النباتات أو بالقرب منها - لصحة النبات ، فقد اعتقدنا أن النباتات يجب أن تكون قد طورت شبكة وراثية متطورة لاختيار المزيج الصحيح من الميكروبات.

إذا كان هذا صحيحًا ، فإن معرفة الجينات النباتية التي تؤثر على أنواع الميكروبات المحيطة بالنبات يمكن أن يوجه البحث المستقبلي لتحسين الميكروبات النباتية لمساعدة النباتات على النمو بشكل أفضل وأقوى وإنتاج المزيد من الكتلة الحيوية والمحصول.

في الواقع ، حددت مجموعتي الآن بعض هذه الجينات "المتحكمة في الميكروبات" في النبات النموذجي نبات الأرابيدوبسيس thaliana.

وجدنا أن عدة جينات المشاركة في مناعة النبات والتوازن المائي ضروريان لاختيار والحفاظ على صحة الكائنات الحية الدقيقة في الداخل ل arabidopsis أوراق النبات.

عندما أزلنا هذه الجينات المحددة من النباتات ، فإن ل arabidopsis لا يمكن للطفرات النباتية أن تستضيف المزيج الصحيح من الميكروبات وتظهر أعراض دسباقتريوز ، بما في ذلك الأوراق الميتة أو الصفراء. بقدر ما نعلم ، كان هذا هو لأول مرة تم توثيق الآثار السلبية ل dysbiosis سببيًا في المملكة النباتية.

[أنت بحاجة إلى فهم جائحة الفيروس التاجي ، ويمكننا المساعدة. اقرأ نشرة المحادثة.]

سمات مثيرة للاهتمام للنباتات "المريضة"

لاحظت أنا وزملائي بعض السمات البارزة لخلل التنسج في طفراتنا ل arabidopsis النباتات.

أولاً ، تميل طفرات dysbiosis إلى الحصول على مستوى عالٍ بشكل غير طبيعي من الميكروبات التي تعيش داخل الأوراق.

ورقة من نبتة أرابيدوبسيس صحية (يسار) وورقة من نبات متحور دسباقتوسيس (يمين). شنغ يانغ هي, CC BY-SA

ثانيًا ، هناك تغيير جذري في تنوع الميكروبات. على سبيل المثال ، في الوضع الطبيعي ل arabidopsis أوراق النبات ، هناك جميع أنواع البكتيريا تعيش داخل الورقة. في المقابل ، يتم تقليل التنوع الشامل للبكتيريا بشكل كبير في طفرات خلل التنسج ، مما يشير إلى أن النباتات الصحية تعزز التنوع الميكروبي ، ويفترض أنها تزيد من الفوائد على صحة النبات.

ثالثًا ، بينما البكتيريا التي تنتمي إلى الشعبة الفرميكوتس بكثرة داخل البرية ل arabidopsis الأوراق ، يتم تقليل وفرة بشكل كبير في طفراتنا الجينية. بالإضافة إلى ذلك ، شهدنا زيادة كبيرة في عدد البكتيريا الضارة داخل الأوراق الطافرة dysbiosis. نجد أنه من المثير للاهتمام أن بعض هذه التغييرات في الكائنات الحية الدقيقة لوحظ أيضًا في مرضى التهاب الأمعاء من البشر ، مما يشير إلى أوجه تشابه مفاهيمية في تطور دسباقتريوز في البشر والنباتات.

ما هي الخطوة التالية؟

نحن متحمسون بشأن تحديدنا للعديد من الجينات والعمليات النباتية المشاركة في منع دسباقتريوز. الجينات التي تتحكم في الجراثيم التي حددناها في ل arabidopsis توجد في جينومات العديد من النباتات الأخرى ، مما يشير إلى أن النتائج التي توصلنا إليها قد يكون لها قابلية تطبيق واسعة.

في المستقبل ، يمكننا تجربة تغيير هذه الجينات المضيفة ، مما قد يؤدي إلى اتباع نهج مبنية على الجراثيم لتحسين صحة النبات. على سبيل المثال ، يمكن استخدام تقنيات تحرير الجينات لإنشاء منطقة حيوية صحية في أوراق النبات من خلال تعزيز التعبير عن جينات معينة. يمكن صياغة ميكروبيوم اصطناعي صحي كبروبيوتيك لمنع دسباقتريوز في النباتات ، مثل وُعدت البروبيوتيك بتحسين صحة ميكروبيوم الأمعاء البشرية.

من الجدير بالذكر أن الطفرات في الجينات المرتبطة بجهاز المناعة لدى الشخص معروفة جيدًا عامل خطر لتطور مرض التهاب الأمعاء في البشر. ربما تجد الأبحاث المستقبلية المزيد من الخصائص المشتركة في كيفية تفاعل النباتات والبشر مع الكائنات الحية الدقيقة الخاصة بهم من أجل منع المرض.

توفر سهولة الدراسات الجينية في النباتات ، مثل نبات الأرابيدوبسيس ، أيضًا إمكانية تمكن الباحثين من تحديد المزيد من الجينات المشاركة في الحفاظ على صحة الكائنات الحية الدقيقة في البشر والنباتات.

عن المؤلف

Sheng-Yang He ، أستاذ جامعي متميز ، محقق HHMI ، جامعة ولاية ميشيغان

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.

جي