Naukowcy odkryli, że drobnoustroje żyjące w glebie mogą zwiększyć odporność roślin na agresywną chorobę bakteryjną. Dotychczas nie dostrzegano, jak ogromny wpływ na zdrowie upraw może mieć mikrobiom gleby. Odkrycie otwiera nowe możliwości ochrony roślin przed patogenami i stanowi krok w stronę bardziej ekologicznego rolnictwa.
Pestycydy wychodzą z mody
Straty plonów powodowane przez bakterie atakujące rośliny to odwieczny i ciągle nawracający problem w globalnej produkcji roślinnej. Ochrony przed niekorzystnymi patogenami zazwyczaj poszukuje się w chemicznych pestycydach.
Nie zawsze jednak są one bezpieczne dla ekosystemów, konsumentów i stosujących je rolników. Produkcja żywności na świecie wzrasta, a na uprawy rolne wywierana jest silna presja, by stawały się nie tylko coraz bardziej wydajne, ale również przyjaźniejsze środowisku.
Z tych powodów naukowcy poszukują innych niż pestycydy metod ochrony roślin, takich jak zwiększanie ich naturalnej odporności.
Pomysł z medycyny
Jak jednak zwiększyć odporność roślin? Wielu badaczy uważa, że powinniśmy skupić się na żyjących w roślinach mikrobiomach, czyli grupach mikroorganizmów które zasiedlają ich organizmy. Świat nauki dopiero zaczyna rozumieć rolę odgrywaną przez mikrobiomy roślin i zwierząt.
Ogromne znaczenie mikrobiomu odkryli stosunkowo niedawno lekarze medycyny ludzkiej. Okazuje się, że zamieszkujące nasze ciała bakterie mają ogromny wpływ na zdrowie, chroniąc nas przed wieloma chorobami lub wręcz przeciwinie, przyczyniając się do ich rozwoju. Stąd coraz szybszy rozwój terapii opartej na przeszczepach mikrobiomów, nazywanych też mało zachęcająco przeszczepami kałowymi.
Pobranie mikroorganizmów od zdrowych dawców i wprowadzenie ich do ciała chorych osób często pomaga im wrócić do zdrowia. Być może da się zastosować podobną terapię w rolnictwie. Odpowiednio zaprojektowane przeszczepy pożytecznych bakterii mogłyby zwiększać odporność osłabionych roślin.
Mikrobiom rośliny czy gleby?
Rośliny funkcjonują jednak w zupełnie inny sposób niż my. Na skład mikrobiomu ich organizmów mają wpływ czynniki, których ciało zwierzęce nie doświadcza. Relacja pomiędzy roślinami, żyjącymi w nich bakteriami pożytecznymi i patogennymi oraz bakteriami występującymi w glebie jest skomplikowana i nadal słabo rozumiana.
Być może największy wpływ na ich kondycję ma mikrobiom gleby, na której rosną? Badania w tej dziedzinie zostały niedawno podjęte przez grupę naukowców z Chin, Wielkiej Brytanii i Holandii.
Aby przebadać wpływ bakterii zamieszkujących glebę na zdrowie i odporność roślin wykonali eksperyment, do którego wybrali pomidory. Hodowane były w specjalnie do tego celu zaprojektowanym systemie, w którym osobniki rosły na własnej glebie, jednak w warunkach polowych.
Rośliny były wielokrotnie badane na różnych etapach swojego wzrostu i rozwoju. Podejście, jakie zaprezentowali badacze przypomina medyczne badania kohortowe. Wielokrotnie pobiera się w nich próbki od zwierząt lub ludzi w odpowiednich przedziałach czasowych przez całe życie badanych osobników.
Patogen pomidorów i ziemniaków
Naukowcy postanowili skupić się na pomidorach naturalnie zainfekowanych patogenną bakterią Ralstonia solanacearum. Atakuje ona układ krążenia roślin i wywołuje chorobę niszczącą wiele ekonomicznie ważnych roślinn takich jak pomidory i ziemniaki. Powoduje bardzo duże szkody na całym świecie, zwłaszcza w Azji i Afryce.
Co ważne, bakteria ta przenika do roślin właśnie z gleby, w której rosną. Pomimo tego, że często można ją znaleźć praktycznie na całych polach uprawnych, niektóre rośliny nie rozwijają objawów choroby. Badacze założyli, że wpływ na to może mieć specyficzny mikrobiom w miejsach, gdzie rosną dane osobniki roślin.
Rośliny zasadzono używając wysterylizowanej gleby, tak, aby została zasiedlona przez lokalne mikroorganizmy. Przez cały okres wzrostu pomidorów pobierano próbki gleby i sprawdzano jej zmiany składu bakteryjnego, kontrolując równocześnie kondycję roślin i skalę infekcji patogenem.
Dzięki temu poznano wpływ składu mikrobiologicznego gleby na zdolność roślin do opierania się chorobie.
Mikrobiom zadecydował o odporności
Tak jak można było to przewidzieć, nie wszystkie pomidory rozwinęły objawy choroby. Dzięki danym dotyczącym gleby i roślin zbieranym od początku eksperymentu, naukowcy mogli cofnąć się w czasie i porównać mikrobiomy roślin, które pozostały zdrowe z tymi, które zachorowały.
Gleba, na której rosły poszczególne rośliny nie różniła się właściwościami fizykochemicznymi, które rónież mogłyby mieć jakiś wpływ na kondycję roślin. Znaczne różnice miał jednak jej skład bakteryjny. Rośliny, które uległy infekcji posiadały mikrobiom predysponujący do zachorowania na długo przed widocznymi objawami.
Badacze doszli do wniosku, że lokalna pula gatunkowa bakterii, która występowała w miejscu wzrastania rośliny wpłynęła na jej odporność i zadecydowała o tym, czy roślinie udało się zwalczyć atak patogenu czy zachorowała.
Na podstawie tego, jaki mikrobiom zawierała gleba mogli z bardzo dużą dokładnością przewidzieć, czy rośliny rozwiną chorobę, czy pozostaną zdrowe.
Pożyteczne bakterie i naturalne antybiotyki
Naukowcy wkazali, że mikrobiomy roślin, które przetrwały infekcję patogenem, zawierały niektóre rzadkie gatunki bakterii z rodzajów Pseudomonas i Bacillus, które najwyraźniej mają działanie hamujące patogeny.
W jaki sposób te bakterie mogą pomagać? Jednym z mechanizmów tłumienia roślinnych infekcji przez pożyteczne bakterie może być wytwarzanie naturalnych antybiotyków.
Badacze znaleźli już nawet wstępne dowody na potwierdzenie tej hipotezy. Mikrobiomy gleby, w której rozwinęły się zdrowe rośliny miały bardzo wysoki poziom ekspresji genów białek, które są składnikami antybiotyków.
Naukowcy znaleźli również i inne bakterie (z rodzajów Massilia, Dyadobacter, Terrabacter, Arachidicoccus i Dyella) które mogą odgrywać kluczową rolę w zatrzymywaniu infekcji roślin.
Już we wcześniejszych badaniach wykazano, że bakterie takie jak Massilia i Dyadobacter występują w glebach, na których rosną rośliny opierające się grzybicom, a bakterie Terrabacter i Dyella tłumią rozwój chorób na polach pszenicy.
Probiotyki i przeszczepy glebowe
Eksperyment niesie ze sobą wiele praktycznych rozwiązań. Badacze uważają, że wysoką odporność na patogeny będzie można przenosić pomiędzy pokoleniami roślin używając przeszczepów gleby, analogicznych do przeszczepów kału stosowanych w medycynie.
Podkreślają, że walce z daną chorobą rośliny nie można skupiać się tylko na patogenie, ale również na naturalnie występujących pożytecznych mikroorganizmach w glebie.
Zespół obecnie opracowuje i testuje różne inokulanty mikrobiologiczne do komercyjnego zastosowania w produkcji roślinnej. W przyszłości powstaną więc „probiotyki glebowe” do ochrony roślin przed patogenami.
Na podstawie:
Science Daily
Zhong Wei, Yian Gu, Ville-Petri Friman, George A. Kowalchuk, Yangchun Xu, Qirong Shen and Alexandre Jousset. Initial soil microbiome composition and functioning predetermine future plant health. Science Advances, 2019
