พืช Arabidopsis ประเภทป่าที่มีสุขภาพดี (ซ้าย) และพืชกลายพันธุ์ที่ทุกข์ทรมานจากความไม่สมดุลของจุลินทรีย์ (ขวา) เซิงหยางเหอ, CC BY-SA

พวกเราหลายคนเคยได้ยินเกี่ยวกับ โรคลำไส้อักเสบซึ่งเป็นภาวะที่ทำให้ร่างกายอ่อนแอซึ่งเกี่ยวข้องกับการสะสมของจุลินทรีย์ที่ผิดปกติในลำไส้ของมนุษย์หรือที่เรียกว่าจุลินทรีย์ในลำไส้ ห้องปฏิบัติการของฉัน เมื่อเร็ว ๆ นี้พบว่าเช่นเดียวกับมนุษย์พืชก็สามารถเกิดภาวะนี้ที่เรียกว่า dysbiosis ได้โดยมีผลกระทบที่รุนแรง

ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของ การศึกษาครั้งนี้เพื่อนร่วมงานของฉันและฉันค้นพบว่ายีนและกระบวนการบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับการควบคุม dysbiosis ในพืชอาจคล้ายคลึงกับยีนในมนุษย์ การค้นพบ dysbiosis ในอาณาจักรพืชเปิดโอกาสใหม่ในการกระตุ้นนวัตกรรมด้านสุขภาพของพืชและความมั่นคงทางอาหารทั่วโลก

ฉันเป็นนักจุลชีววิทยาด้านพืช สนใจว่าพืชและจุลินทรีย์มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร แม้ว่างานวิจัยของเราในอดีตจะเน้นไปที่ รายละเอียดโมเลกุลของการติดเชื้อที่ทำให้เกิดโรคงานนี้ทำให้ห้องทดลองของฉันเข้าสู่โลกที่น่าสนใจของไมโครไบโอมจากพืช

พืชมีไมโครไบโอมหรือไม่?

เมื่อนักวิทยาศาสตร์กล่าวว่า "แบคทีเรียในระบบทางเดินอาหาร" ของมนุษย์ควรมีความสมดุลกันดีพวกมันหมายถึงสารพันธุกรรมของจุลินทรีย์ทั้งหมดที่อาศัยอยู่ในระบบย่อยอาหารของมนุษย์หรือจุลินทรีย์ในลำไส้ พืชมีไมโครไบโอมด้วยหรือไม่? คำตอบคือใช่

ในความเป็นจริงส่วนของพืชที่เติบโตเหนือพื้นดินเรียกว่าไฟโลสเฟียร์และส่วนที่เติบโตด้านล่างเรียกว่าไรโซสเฟียร์เป็นแหล่งที่อยู่อาศัยที่ใหญ่ที่สุดแห่งหนึ่งสำหรับการตั้งรกรากของจุลินทรีย์บนโลก ทั้งสองอย่างมีความสำคัญต่อชีวิตมนุษย์บนโลก

ไฟโลสเฟียร์ใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในการสังเคราะห์แสงซึ่งจำเป็นต่อการสร้างมวลชีวภาพและเป็นแหล่งอาหารเชื้อเพลิงเส้นใยและยาหลัก การสังเคราะห์แสงยังปล่อยออกซิเจนให้สัตว์และมนุษย์ได้หายใจซึ่งเป็นสาเหตุที่พืชมักถูกมองว่าเป็นปอดของโลกของเรา ในทางกลับกันไรโซสเฟียร์ใช้น้ำและสารอาหารจากดิน

การศึกษาจำนวนมาก แสดงให้เห็นว่าจุลินทรีย์ในพืชช่วยให้พืชดึงสารอาหารจากดินและรับมือกับความแห้งแล้งเชื้อโรคแมลงและความเครียดอื่น ๆ

การศึกษาทางนิเวศวิทยา ยังได้ตั้งข้อสังเกตว่าความหลากหลายของจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่บนใบพืชก็จะทำให้พืชมีประสิทธิผลมากขึ้น

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ด้านพืชส่วนใหญ่เชื่อว่ากลยุทธ์ระดับโลกเพื่อให้แน่ใจว่าผลผลิตของพืชและความมั่นคงทางอาหารต้องคำนึงถึงไมโครไบโอมของพืช องค์การอาหารและการเกษตรของสหประชาชาติประเมินว่า พืชอาหารมากถึง 40% สูญหายไปเนื่องจากศัตรูพืชและโรคพืชเป็นประจำทุกปีและที่ประชุมสมัชชาใหญ่แห่งสหประชาชาติได้ประกาศให้ปี 2020 เป็นปีแห่งสุขภาพพืชสากล

จุลินทรีย์บางชนิดเกี่ยวข้องกับใบและยอดในขณะที่อีกชุดที่แตกต่างกันอาศัยอยู่ในราก เซิงหยางเหอ, CC BY-SA

พืชรักษาไมโครไบโอต้าให้แข็งแรงได้อย่างไร?

เมื่อพิจารณาถึงความสำคัญของจุลินทรีย์ซึ่งเป็นชุมชนเฉพาะของจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่บนหรือใกล้พืชเพื่อสุขภาพของพืชเราจึงให้เหตุผลว่าพืชต้องมีการพัฒนาเครือข่ายทางพันธุกรรมที่ซับซ้อนเพื่อเลือกส่วนผสมของจุลินทรีย์ที่เหมาะสม

หากเป็นเช่นนั้นการรู้ว่ายีนของพืชชนิดใดที่มีอิทธิพลต่อชนิดของจุลินทรีย์ที่อยู่รอบ ๆ พืชอาจเป็นแนวทางในการวิจัยในอนาคตเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพจุลินทรีย์ของพืชเพื่อช่วยให้พืชเจริญเติบโตได้ดีขึ้นแข็งแรงขึ้นและผลิตมวลชีวภาพและผลผลิตได้มากขึ้น

ตอนนี้กลุ่มของฉันได้ระบุยีนที่“ ควบคุมไมโครไบโอตา” บางส่วนในพืชต้นแบบแล้ว อะราบิดอปซิส ทาเลียนา.

เราพบว่ายีนหลาย ๆ เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกันของพืชและความสมดุลของน้ำเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเลือกและรักษาจุลินทรีย์ที่ดีต่อสุขภาพภายใน Arabidopsis ใบพืช

เมื่อเราลบยีนที่ระบุเหล่านี้ออกจากพืช Arabidopsis การกลายพันธุ์ของพืชไม่สามารถผสมจุลินทรีย์ที่ถูกต้องและแสดงอาการของ dysbiosis รวมทั้งใบที่ตายแล้วหรือเป็นสีเหลือง เท่าที่เรารู้นี่คือไฟล์ ครั้งแรกผลเสียของ dysbiosis ได้รับการบันทึกเชิงสาเหตุ ในอาณาจักรพืช

[คุณต้องเข้าใจการระบาดของโรคโคโรนาไวรัสและเราสามารถช่วยคุณได้ อ่านจดหมายข่าวของ The Conversation.]

คุณสมบัติที่น่าสนใจของพืชที่ 'ป่วย'

เพื่อนร่วมงานของฉันและฉันสังเกตเห็นคุณสมบัติของ dysbiosis ที่โดดเด่นในการกลายพันธุ์ของเรา Arabidopsis พืช

ประการแรกการกลายพันธุ์ของ dysbiosis มักจะมีจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ภายในใบในระดับสูงอย่างผิดปกติ

ใบจากต้น Arabidopsis ที่แข็งแรง (ซ้าย) และใบจากพืชที่กลายพันธุ์ dysbiosis (ขวา) เซิงหยางเหอ, CC BY-SA

ประการที่สองมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในความหลากหลายของจุลินทรีย์ ตัวอย่างเช่นในปกติ Arabidopsis ใบพืชมีแบคทีเรียทุกชนิดอาศัยอยู่ภายในใบ ในทางตรงกันข้ามความหลากหลายโดยรวมของแบคทีเรียจะลดลงอย่างมากในการกลายพันธุ์ของ dysbiotic ซึ่งบ่งชี้ว่าพืชที่มีสุขภาพดีจะส่งเสริมความหลากหลายของจุลินทรีย์ซึ่งน่าจะเป็นการเพิ่มประโยชน์ต่อสุขภาพของพืช

ประการที่สามในขณะที่แบคทีเรียที่อยู่ในไฟลัม เฟอร์มิบิวต์ มีอยู่มากมายในป่า Arabidopsis ใบไม้ความอุดมสมบูรณ์จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญในการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมของเรา นอกจากนี้เรายังเห็นจำนวนแบคทีเรียที่เป็นอันตรายเพิ่มขึ้นอย่างมากภายในใบที่กลายพันธุ์ของ dysbiosis เราพบว่าน่าสนใจที่การเปลี่ยนแปลงของไมโครไบโอต้าบางอย่างเหล่านี้ยังพบได้ในผู้ป่วยโรคลำไส้อักเสบซึ่งบ่งบอกถึงแนวความคิดในการพัฒนา dysbiosis ในมนุษย์และพืช

ทำอะไรต่อไป

เรารู้สึกตื่นเต้นกับการระบุยีนของพืชและกระบวนการต่างๆที่เกี่ยวข้องในการป้องกันโรค dysbiosis ยีนควบคุมไมโครไบโอต้าที่เราระบุ Arabidopsis พบได้ในจีโนมของพืชอื่น ๆ หลายชนิดซึ่งบ่งชี้ว่าการค้นพบของเราอาจมีผลบังคับใช้ในวงกว้าง

ในอนาคตเราสามารถทดลองเปลี่ยนยีนโฮสต์เหล่านี้ได้ซึ่งอาจนำไปสู่แนวทางที่ใช้ไมโครไบโอต้าที่ช่วยปรับปรุงสุขภาพของพืช ตัวอย่างเช่นเทคโนโลยีการแก้ไขยีนสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างไบโอมที่แข็งแรงในใบพืชโดยการเพิ่มการแสดงออกของยีนที่เฉพาะเจาะจง ไมโครไบโอมสังเคราะห์ที่ดีต่อสุขภาพอาจได้รับการกำหนดให้เป็นโปรไบโอติกเพื่อป้องกันโรค dysbiosis ในพืชได้มากถึง โปรไบโอติกได้รับการสัญญาว่าจะปรับปรุงสุขภาพของจุลินทรีย์ในลำไส้ของมนุษย์.

ข้อสังเกตการกลายพันธุ์ของยีนที่เกี่ยวข้องกับระบบภูมิคุ้มกันของบุคคลนั้นเป็นที่รู้จักกันดี ปัจจัยเสี่ยงต่อการเกิดโรคลำไส้อักเสบ ในมนุษย์ บางทีการวิจัยในอนาคตอาจพบลักษณะร่วมกันมากขึ้นในการที่พืชและมนุษย์มีปฏิสัมพันธ์กับไมโครไบโอต้าตามลำดับเพื่อป้องกันโรค

ความสะดวกในการศึกษาทางพันธุกรรมในพืชเช่น Arabidopsis ยังมีความเป็นไปได้ที่นักวิจัยจะสามารถระบุยีนที่เกี่ยวข้องกับการรักษาสุขภาพของจุลินทรีย์ในคนและพืชได้มากขึ้น

เกี่ยวกับผู้เขียน

Sheng-Yang He, ศาสตราจารย์พิเศษของมหาวิทยาลัย, HHMI Investigator, มหาวิทยาลัยรัฐมิชิแกน

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

ไอเอ็นจี