Quando as plantas e seus micróbios não estão em sincronia, os resultados podem ser desastrosos

Quando as plantas e seus micróbios não estão em sincronia, os resultados podem ser desastrosos
Uma planta Arabidopsis de tipo selvagem saudável (esquerda) e uma planta mutante que sofre de um desequilíbrio de micróbio (direita).
Sheng-Yang He, CC BY-SA

Muitos de nós já ouvimos sobre doença inflamatória do intestino, uma condição debilitante que está associada a uma coleção anormal de micróbios no intestino humano - conhecida como microbioma intestinal. Meu lab descobriram recentemente que, como os humanos, as plantas também podem desenvolver essa condição, conhecida como disbiose, com consequências graves.

Como parte do este estudo, meus colegas e eu descobrimos que alguns genes e processos envolvidos no controle da disbiose em plantas podem ser semelhantes aos dos humanos. A descoberta da disbiose no reino vegetal abre novas possibilidades para estimular a inovação em saúde vegetal e segurança alimentar global.

Eu sou um microbiologista vegetal interessado em como as plantas e os micróbios interagem uns com os outros. Embora nossa pesquisa no passado tenha se centrado em detalhes moleculares de infecções patogênicas, esse trabalho levou meu laboratório ao fascinante mundo do microbioma vegetal.

As plantas têm microbiomas?

Quando os cientistas dizem que as “bactérias intestinais” humanas devem ser bem balanceadas, eles estão se referindo ao material genético de todos os micróbios que vivem no sistema digestivo humano, ou microbioma intestinal. As plantas também têm microbiomas? A resposta é sim.

Na verdade, as partes da planta que crescem acima do solo, chamadas filosfera, e as partes que crescem abaixo, chamadas de rizosfera, fornecem um dos maiores habitats para a colonização de micróbios na Terra. Ambos são vitais para a vida humana na Terra.

A filosfera absorve dióxido de carbono para a fotossíntese, que é necessária para construir biomassa e é uma fonte primária de alimentos, combustíveis, fibras e medicamentos. A fotossíntese também libera oxigênio para animais e humanos respirarem, razão pela qual as plantas são freqüentemente consideradas os pulmões de nosso planeta. A rizosfera, por outro lado, absorve água e nutrientes do solo.

Numerosos estudos mostraram que os micróbios das plantas ajudam as plantas a extrair nutrientes do solo e a lidar com a seca, patógenos, insetos e outros estresses.


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Estudos ecológicos também notaram que quanto maior a diversidade de micróbios que vivem nas folhas das plantas, mais produtivas as plantas parecem ser.

Hoje, a maioria dos cientistas de plantas acredita que as estratégias globais para garantir a produtividade da colheita e a segurança alimentar devem considerar o microbioma das plantas. A Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação estima que até 40% das safras de alimentos são perdidos devido a pragas e doenças vegetais anualmente, e a Assembleia Geral das Nações Unidas declarou 2020 como o Ano Internacional da Saúde Vegetal.

Alguns micróbios estão associados às folhas e rebentos, enquanto outro conjunto distinto vive entre as raízes.Alguns micróbios estão associados às folhas e rebentos, enquanto outro conjunto distinto vive entre as raízes. Sheng-Yang He, CC BY-SA

Como as plantas mantêm a microbiota saudável?

Dada a importância da microbiota - a comunidade específica de micróbios que vivem nas plantas ou perto delas - para a saúde das plantas, concluímos que as plantas devem ter desenvolvido uma rede genética sofisticada para selecionar a mistura certa de micróbios.

Se isso for verdade, então saber quais genes de plantas influenciam os tipos de micróbios que cercam a planta pode guiar pesquisas futuras para otimizar microbiomas vegetais para ajudar as plantas a crescerem melhor, mais fortes e produzirem mais biomassa e rendimento.

Na verdade, meu grupo já identificou alguns desses genes "controladores da microbiota" na planta modelo Arabidopsis thaliana.

Descobrimos que vários genes envolvidos na imunidade da planta e no equilíbrio da água são fundamentais para selecionar e manter uma microbiota saudável dentro Arabidopsis folhas da planta.

Quando removemos esses genes identificados das plantas, o Arabidopsis plantas mutantes não podiam hospedar a mistura correta de micróbios e apresentavam sintomas de disbiose, incluindo folhas mortas ou amareladas. Pelo que sabemos, este foi o primeira vez que os efeitos negativos da disbiose foram causalmente documentados no reino vegetal.

[Você precisa entender a pandemia de coronavírus e nós podemos ajudar. Leia o boletim da conversa.]

Características interessantes de plantas 'doentes'

Meus colegas e eu observamos algumas características notáveis ​​de disbiose em nosso mutante Arabidopsis plantas.

Primeiro, os mutantes da disbiose tendem a ter um nível anormalmente alto de micróbios vivendo dentro das folhas.

Uma folha de uma planta Arabidopsis saudável (à esquerda) e uma folha de uma planta mutante de disbiose (à direita). (quando as plantas e seus micróbios não estão em sincronia, os resultados podem ser desastrosos)Uma folha de uma planta Arabidopsis saudável (à esquerda) e uma folha de uma planta mutante de disbiose (à direita). Sheng-Yang He, CC BY-SA

Em segundo lugar, há uma mudança drástica na diversidade dos micróbios. Por exemplo, em normal Arabidopsis folhas das plantas, existem todos os tipos de bactérias vivendo dentro da folha. Em contraste, a diversidade geral de bactérias é bastante reduzida nos mutantes disbióticos, sugerindo que as plantas saudáveis ​​promovem a diversidade microbiana, presumivelmente para aumentar os benefícios para a saúde das plantas.

Terceiro, enquanto as bactérias que pertencem ao filo Fermicutes são abundantes dentro do tipo selvagem Arabidopsis folhas, a abundância é significativamente reduzida em nossos mutantes genéticos. Além disso, vimos um aumento dramático no número de bactérias nocivas dentro das folhas mutantes da disbiose. Achamos interessante que algumas dessas alterações na microbiota também são observadas em pacientes humanos com doença inflamatória intestinal, sugerindo paralelos conceituais no desenvolvimento da disbiose em humanos e plantas.

Qual é o próximo?

Estamos entusiasmados com a nossa identificação de vários genes de plantas e processos envolvidos na prevenção da disbiose. Os genes controladores da microbiota que identificamos em Arabidopsis são encontrados nos genomas de muitas outras plantas, sugerindo que nossos resultados podem ter ampla aplicabilidade.

No futuro, poderemos fazer experiências com a alteração desses genes hospedeiros, o que pode levar a abordagens baseadas na microbiota que melhoram a saúde das plantas. Por exemplo, tecnologias de edição de genes podem ser usadas para criar um bioma saudável em folhas de plantas, aumentando a expressão de genes específicos. Um microbioma sintético saudável pode ser formulado como um probiótico para prevenir a disbiose em plantas, tanto quanto probióticos foram prometidos para melhorar a saúde do microbioma intestinal humano.

Digno de nota, mutações em genes relacionados ao sistema imunológico de uma pessoa, são um conhecido fator de risco para o desenvolvimento de doença inflamatória intestinal em humanos. Talvez, pesquisas futuras encontrem características mais compartilhadas em como as plantas e os humanos interagem com suas respectivas microbiotas para prevenir doenças.

A facilidade de estudos genéticos em plantas, como a Arabidopsis, também oferece a possibilidade de os pesquisadores identificarem mais genes envolvidos na preservação da saúde da microbiota em pessoas e plantas.

A Conversação

Sobre o autor

Sheng-Yang He, distinto professor universitário, investigador HHMI, Michigan State University

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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