مقاومت قارچی در گیاهان مرتبط با تفاوت های ارثی در فراوانی میکروبیوتا

گل آفتابگردان فقط نمادهای زیبای تابستان نیستند، بلکه از نظر اقتصادی نیز مهم هستند و به عنوان چهارمین محصول مهم دانه های روغنی در جهان رتبه بندی می شوند و تحقیقات جدید نشان می دهد که برخی از باکتری ها ممکن است به محافظت از محصول در برابر تخریب کپک سفید کمک کنند.

آفتابگردان را می توان برای تعدادی از محصولات از جمله دانه و روغن برداشت کرد که تقاضای مصرف کنندگان برای آنها در سال های اخیر به طور قابل توجهی افزایش یافته است. محققان خاطرنشان می کنند که آنها ممکن است به انعطاف پذیری آب و هوا کمک کنند، زیرا می توانند با شرایط آب و هوایی مختلف سازگار شوند و جوانه های آفتابگردان حاوی مواد مغذی هستند که می توانند سلامت انسان را ارتقا دهند.

متأسفانه، مانند بسیاری از گیاهان دیگر، آفتابگردان مستعد ابتلا به بیماری است که می تواند باعث زیان قابل توجهی در محصول شود. به عنوان مثال، کپک سفید، که توسط پاتوژن قارچی Sclerotinia sclerotiorum ایجاد می شود، مسئول متوسط ​​تلفات سالانه محصول آفتابگردان بیش از 1٪ است. همچنین می تواند بر لوبیا، بادمجان، کاهو، بادام زمینی، سیب زمینی و سویا تأثیر بگذارد و در برخی موارد 100 درصد محصولات را از بین ببرد.

در حالی که رویکرد مدیریت بیماری‌هایی مانند کپک سفید معمولاً بر ژنتیک گیاهان متمرکز است، مطالعه‌ای که در آن منتشر شد اکولوژی مولکولی و به رهبری محققان دانشگاه کلرادو بولدر نشان می دهد که جوامع موجودات میکروسکوپی در اطراف ریشه گیاهان نیز نقش مهمی ایفا می کنند و تنوع ژنتیکی گیاه در واقع بر میکروبیوم های مرتبط تاثیر می گذارد.

آزمایشات مزرعه و گلخانه

این تحقیق شامل یک مطالعه گلخانه ای و همچنین یک آزمایش میدانی بود که محققان با استفاده از نژادهای مختلف آفتابگردان انجام دادند که DNA آنها استخراج و تعیین توالی شد.

20 بوته از هر نژاد آفتابگردان در یک مزرعه رشد کردند که محققان انتظار داشتند حاوی میکروب های متخاصم با پاتوژن Sclerotinia باشد. برخی از گیاهان آلوده بودند، در حالی که برخی دیگر آلوده نبودند، که برای تمایز بین میکروب های مرتبط با مطالعه و آنهایی که از مرگ بافت ناشی از اسکلروتینیا استفاده می کردند، ضروری بود.

در آزمایش گلخانه ای، آفتابگردان در خاکی که از همان محیط مورد استفاده در آزمایش مزرعه ای گرفته شده بود، کشت شد که نیمی از آن برای حذف هرگونه میکروبی استریل شده بود.

گیاهان آلوده و از نظر مقاومت در برابر این بیماری مورد ارزیابی قرار گرفتند و به محققان این امکان را داد تا اهمیت میکروب ها را برای نتایجی که نژادهای مختلف آفتابگردان در آزمایش مزرعه تجربه کردند، تعیین کنند. اگر آفتابگردان‌هایی که در خاک استریل رشد می‌کنند، مقاومت کمتری در برابر بیماری داشتند، این نشان می‌دهد که میکروب‌ها به گیاهانشان مقاومت در برابر بیماری می‌دهند.

محققان دریافتند که 42 نوع میکروب با مقاومت در برابر بیماری مرتبط است. آزمایش گلخانه ای نشان داد که این میکروب ها برای مقاومت در برابر بیماری های گیاهی بسیار مهم هستند، زیرا آفتابگردان های موجود در خاک استریل 19 روز زودتر از همتایان خود مردند.

در مرحله بعد، فراوانی میکروب‌های اصلی با ویژگی‌های ژنتیکی گیاهان مختلف مرتبط بود و محققان دریافتند که ژن‌های خاصی با افزایش فراوانی میکروب‌ها مطابقت دارند.

محققان نتیجه گرفتند که این همه نشان می دهد که نژادهای مختلف آفتابگردان از نظر ژنتیکی برای افزایش تعداد میکروب های مفید در خاک مجاور و در نتیجه بهبود مقاومت آنها در برابر کپک سفید سازگار شده اند. از آنجایی که ارتباط بین گیاه و میکروب ژنتیکی است، می تواند ارثی باشد و بنابراین می توان این مقاومت را از طریق اصلاح نژاد و روش های دیگر پرورش داد.

مقاومت میکروب ها و بیماری های گیاهی

نولان کین، دانشیار بوم شناسی و زیست شناسی تکاملی CU Boulder و محقق برجسته گل آفتابگردان می گوید، قبل از این مطالعه، مشخص نبود که جوامع میکروبی چقدر بر مقاومت به بیماری های گیاهی دارند.

او می‌گوید: «مطمئناً موارد مستندی وجود دارد که این مهم است، اما برای بیشتر پاتوژن‌ها، گیاهان دارای آلل مناسب در این ژن هستند و در برابر آن پاتوژن مقاوم خواهند بود و اگر این ژن را نداشته باشند. آلل راست، سپس آنها حساس خواهند بود.

“(انسانها) سیستم ایمنی بسیار پیچیده ای دارند که می تواند همیشه پروتئین های جدید را تشخیص دهد. گیاهان سیستم ایمنی بسیار متفاوتی دارند که اغلب به یک ژن ساده می شود که عامل بیماری زا را تشخیص می دهد. اگر پروتئین بیماری زا نسخه ای از ژن باشد. می تواند تشخیص دهد، آنگاه گیاه مقاوم خواهد بود، اما اگر مطابقت مناسبی وجود نداشته باشد، گیاه حساس خواهد بود.”

بر خلاف سیستم ایمنی انسان، سیستم ایمنی گیاهی سوابق هر میکروبی را که با آن مبارزه کرده اند نگه نمی دارد. در عوض، آنها الگوهای مولکولی مرتبط با بیماری را با استفاده از گیرنده های تخصصی تشخیص می دهند. هر نوع گیرنده فقط می‌تواند با مولکول‌هایی با شکل‌های خاص تعامل داشته باشد که مانند قطعات پازل با هم هماهنگ می‌شوند. هنگامی که این تماس برقرار شد، گیرنده یک پاسخ دفاعی را نشان می دهد.

در مورد گل آفتابگردانی که کین و همکارانش در مورد آنها مطالعه کردند، حداقل برای Sclerotinia، همه چیز پیچیده تر است. کین می‌گوید: «این موردی بود که ما واقعاً فکر می‌کردیم ممکن است نقش مهمی برای میکروبیوم یا سایر اجزای محیطی وجود داشته باشد. همانطور که محققان کشف کردند، چهار نوع باکتری به شدت با مقاومت آفتابگردان در برابر پاتوژن قارچی همبستگی داشتند، که نشان می دهد شهود آنها درست است.

با این حال، کین می‌گوید: «میکروب‌های زیادی وجود داشتند که با یکدیگر همبستگی داشتند،» به این معنی که این تأثیر می‌تواند نتیجه کل جامعه باشد نه فقط این چهار نوع باکتری که واحدهای طبقه‌بندی عملیاتی (OTUs) نامیده می‌شوند.

با این حال، کین ادامه می دهد: “چهار موردی که ما برجسته کردیم بیشترین ارتباط را با مقاومت پاتوژن دارند، و زمانی که آن چهار را کنترل می کنیم، هیچ یک از OTU های مرتبط دیگر در ارتباط با بیماری مهم نبودند”، اگرچه چهار باکتری اصلی احتمالا نمی توانند مقاومت در برابر بیماری را به صورت جداگانه بهبود می بخشد، زیرا “بسیاری از این میکروب ها به خودی خود به خوبی رشد نمی کنند، یا هنگامی که به تنهایی کشت می شوند، رفتار مشابهی از خود نشان نمی دهند.”

همزیستی گیاه/میکروب

محققان دریافتند که هرچه تعداد این چهار باکتری در خاک اطراف گیاهان بیشتر باشد، آنها در برابر Sclerotinia sclerotiorum بهتر عمل می کنند. بنابراین، گیاهان چگونه می توانند از این باکتری ها بهره ببرند و این چه ربطی به ژنتیک گیاهان دارد؟

همانطور که مشخص است، گیاهان می توانند جامعه ای از میکروب های مفید را در ناحیه خاک اطراف ریشه خود که به ریزوسفر معروف است، پرورش دهند.

کین توضیح می‌دهد: «به طور کلی، گیاهان می‌توانند ترکیباتی را ترشح کنند که یا میکروب‌های خاصی را مهار می‌کنند یا رشد آنها را تقویت می‌کنند. فتوسنتز، فرآیندی که گیاهان برای تبدیل نور به انرژی قابل استفاده از آن استفاده می کنند، مولکول های کربوهیدرات زیادی مانند قند و نشاسته تولید می کند.

به همین دلیل، کین می‌گوید: «بسیاری از فعل و انفعالات آن‌ها با میکروب‌ها شامل قندها یا کربوهیدرات‌هایی است که گیاهان می‌دهند و گیاهان با دریافت نیتروژن یا چیز دیگری که به آن نیاز دارند، سود می‌برند».

گیاهان انواع روابط همزیستی مشابهی با قارچ ها دارند که از ترویج آن سود می برند. نیتروژن تنها یک نمونه از مزایایی است که گیاهان از روابط همزیستی خود دریافت می کنند: “در مطالعه ای که انجام دادیم، ما نمی دانیم که لزوماً مکانیسم مشابهی است، اما به احتمال زیاد نوعی ترشحات ریشه وجود دارد که در حال شکل دادن هستند. کین می گوید، میکروبیوم. این یکی از مکانیسم های کلیدی است که گیاهان استفاده می کنند.

نحوه تعامل گیاهان با میکروب ها در ریزوسفر به ژن های آنها بستگی دارد. به همین دلیل، محققان توانستند چهار نوع باکتری را با بخش های بسیار خاصی از کدهای ژنتیکی آفتابگردان مرتبط کنند.

ارتباط با میکروب ها

این مطالعه یافته های مهم دیگری نیز داشت. این نشان داد که چهار نمونه از 40 نمونه آفتابگردان مورد مطالعه، حتی بدون محافظت از باکتری‌های مفید، در برابر اسکلروتینیا مقاومت می‌کنند. آنها در خاک استریل شده بدتر از خاک حاوی باکتری عمل کردند، اما به طور قابل توجهی نسبت به نمونه های دیگر بهتر بودند.

کین می‌گوید: «این می‌تواند نوعی توانایی برای پاسخ دادن به پاتوژن به روش‌هایی باشد که محافظت‌کننده باشد. ما هنوز نمی دانیم که آیا این یک هدف پرورشی مفید خواهد بود زیرا ممکن است معاوضه هایی وجود داشته باشد یا اینکه در شرایط عادی اثرات محافظتی محدودی داشته باشد یا بدون آن باشد. با این حال، “این نشان می دهد که کل داستان فقط میکروب ها نیستند. یک جزء مهم، حتی اگر کوچکتر باشد، وجود دارد که به ژنتیک ذاتی گیاه مربوط می شود.”

این تحقیق سوالات بیشتری در مورد هزینه ها و مزایای همزیستی با میکروب ها، مکانیسم های مولکولی مسئول تغییر همزیستی و اهمیت برهمکنش بین ژنوتیپ و عوامل محیطی ایجاد کرد.

کین می‌گوید که او و همکاران پژوهشی‌اش «در حال بررسی برخی از این خطوط در محیط‌های متنوع‌تر در سراسر ایالات متحده هستند و تلاش می‌کنند تا تشخیص دهند که آیا این انجمن‌های میکروبی در طیف وسیعی از محیط‌ها بسیار عمومی هستند یا فقط برای یک محیط بسیار خاص هستند. محیط.”

از آنجایی که این مطالعات در مزارع کشاورزان انجام می شود، گیاهان مورد بررسی در معرض عوامل بیماری زا قرار نخواهند گرفت. کین می گوید، در عوض، محققان بر روی ارتباط گیاهان با میکروب ها تمرکز خواهند کرد.

به طور مشابه، کین می‌گوید: «دیدن این اثرات ژنتیکی در این یک محیط روی بسیاری از میکروب‌های مختلف واقعاً هیجان‌انگیز بود، زیرا نشان می‌دهد که آفتابگردان‌هایی که در این مطالعه استفاده کردیم، تنوع جالبی دارند که می‌تواند با طیف وسیعی از صفات مختلف مرتبط باشد. ما به آن نگاه نکردیم، اما دیدن آن در کارهای آینده واقعاً هیجان‌انگیز خواهد بود.”

کین می‌گوید بسیاری از محصولات برخی از پیوندهای میکروبی خود را از طریق اصلاح از دست داده‌اند، اما این مسئله در مورد جمعیت مطالعه نبود و آن را به طور بالقوه برای تحقیقات آینده ارزشمند می‌کند.

با این حال، این مطالعه هنوز ایده ای در مورد چگونگی استفاده از انجمن های میکروبی برای محافظت از گیاهان به تنهایی ارائه می دهد. ساده ترین راه برای انجام این کار، پرورش انتخابی گیاهان برای ژن های مربوط به افزایش فراوانی میکروب های مفید در ریزوسفر است.

کین توضیح می‌دهد: «علاوه بر پرورش، شیوه‌های مختلف کشاورزی و شیوه‌های زیست‌محیطی می‌توانند جوامع مفید را ارتقا دهند یا از جوامع مضر جلوگیری کنند.» در مواردی که میکروب های مفید از قبل وجود نداشته باشند، استفاده از آنها در مزارع نیز می تواند مهم باشد.

کین می گوید: «این احتمالاً ترکیبی از بیش از یکی از آن چیزهای مختلف خواهد بود. برخی از شرکت‌های بیوتکنولوژی وجود دارند که در حال حاضر روی «مخلوط‌های» میکروبی مفید برای برخی محصولات کار می‌کنند، که می‌تواند در مزارع اعمال شود یا روی دانه‌های گیاهان پوشش داده شود.

کین نتیجه‌گیری می‌کند که «مطمئناً می‌تواند به پرورش آفتابگردان کمک کند، اما همچنین به ما کمک می‌کند تا بفهمیم چگونه گونه‌های دیگر را به طور مؤثرتری پرورش دهیم، و همچنین برخی از علوم پایه نه تنها در مورد نحوه تعامل گیاهان با محیط خود، بلکه چگونه کل جامعه را درک کنیم. زیر خاک بر این تعامل تأثیر می گذارد.»