Tanaman Arabidopsis tipe liar yang sehat (kiri) dan tanaman mutan yang menderita ketidakseimbangan mikroba (kanan). Sheng Yang He, CC BY-SA

Banyak dari kita telah mendengarnya radang usus, suatu kondisi yang melemahkan yang berhubungan dengan kumpulan mikroba yang abnormal di usus manusia - yang dikenal sebagai mikrobioma usus. Lab saya Baru-baru ini ditemukan bahwa, seperti halnya manusia, tumbuhan juga dapat mengembangkan kondisi ini, yang dikenal sebagai disbiosis, dengan konsekuensi yang parah.

Sebagai bagian dari Penelitian ini, rekan saya dan saya menemukan bahwa beberapa gen dan proses yang terlibat dalam mengendalikan disbiosis pada tumbuhan mungkin serupa dengan yang ada pada manusia. Penemuan disbiosis di kerajaan tumbuhan membuka kemungkinan baru untuk merangsang inovasi dalam kesehatan tumbuhan dan ketahanan pangan global.

Saya seorang ahli mikrobiologi tanaman tertarik pada bagaimana tumbuhan dan mikroba berinteraksi satu sama lain. Meskipun penelitian kami di masa lalu berpusat pada rincian molekuler dari infeksi patogen, pekerjaan ini membawa lab saya ke dunia mikrobioma tanaman yang menakjubkan.

Apakah tumbuhan memiliki mikrobioma?

Ketika para ilmuwan mengatakan bahwa “bakteri usus” manusia harus seimbang, mereka mengacu pada materi genetik dari semua mikroba yang hidup dalam sistem pencernaan manusia, atau mikrobioma usus. Apakah tumbuhan juga memiliki mikrobioma? Jawabannya iya.

Faktanya, bagian tumbuhan yang tumbuh di atas permukaan tanah, yang disebut phyllosphere, dan bagian yang tumbuh di bawahnya, yang disebut rhizosfer, menyediakan salah satu habitat terbesar bagi kolonisasi mikroba di Bumi. Keduanya penting bagi kehidupan manusia di Bumi.

Filosfer mengambil karbon dioksida untuk fotosintesis, yang diperlukan untuk membangun biomassa dan merupakan sumber utama makanan, bahan bakar, serat, dan obat-obatan. Fotosintesis juga melepaskan oksigen agar hewan dan manusia dapat bernapas, itulah sebabnya tumbuhan sering dianggap sebagai paru-paru planet kita. Rizosfer, di sisi lain, mengambil air dan nutrisi dari tanah.

Sejumlah penelitian telah menunjukkan bahwa mikroba tanaman membantu tanaman mengekstraksi nutrisi dari tanah dan mengatasi kekeringan, patogen, serangga, dan tekanan lainnya.

Studi ekologi juga mencatat bahwa semakin besar keanekaragaman mikroba yang hidup di daun tanaman, semakin produktif tanaman tersebut.

Saat ini, sebagian besar ilmuwan tanaman percaya bahwa strategi global untuk memastikan produktivitas tanaman dan ketahanan pangan harus mempertimbangkan mikrobioma tanaman. Organisasi Pangan dan Pertanian PBB memperkirakan hal itu hingga 40% tanaman pangan hilang karena hama dan penyakit tanaman setiap tahun, dan Majelis Umum Perserikatan Bangsa-Bangsa menyatakan 2020 sebagai Tahun Internasional Kesehatan Tanaman.

Beberapa mikroba berasosiasi dengan daun dan pucuk, sementara mikroba lain hidup di antara akar. Sheng Yang He, CC BY-SA

Bagaimana tanaman menjaga mikrobiota tetap sehat?

Mengingat pentingnya mikrobiota - komunitas khusus mikroba yang hidup di atau dekat tanaman - untuk kesehatan tanaman, kami beralasan bahwa tanaman pasti telah mengembangkan jaringan genetik yang canggih untuk memilih campuran mikroba yang tepat.

Jika itu benar, maka mengetahui gen tanaman mana yang mempengaruhi jenis mikroba di sekitar tanaman dapat memandu penelitian di masa depan untuk mengoptimalkan mikrobioma tanaman untuk membantu tanaman tumbuh lebih baik, lebih kuat, dan menghasilkan lebih banyak biomassa dan hasil.

Memang, kelompok saya sekarang telah mengidentifikasi beberapa gen “pengendali mikrobiota” ini di pabrik model Arabidopsis thaliana.

Kami menemukan beberapa gen terlibat dalam kekebalan tanaman dan keseimbangan air sangat penting untuk memilih dan memelihara mikrobiota yang sehat di dalamnya Arabidopsis daun tanaman.

Saat kami menghilangkan gen yang teridentifikasi ini dari tanaman, Arabidopsis mutan tanaman tidak dapat menampung campuran mikroba yang benar dan menunjukkan gejala disbiosis, termasuk daun mati atau menguning. Sejauh yang kami tahu, ini adalah pertama kali efek negatif disbiosis didokumentasikan secara kausal di kerajaan tumbuhan.

[Anda perlu memahami pandemi coronavirus, dan kami dapat membantu. Baca buletin Percakapan.]

Ciri-ciri menarik dari tanaman 'sakit'

Rekan saya dan saya mengamati beberapa fitur dysbiosis yang menonjol pada mutan kami Arabidopsis tanaman.

Pertama, mutan disbiosis cenderung memiliki jumlah mikroba yang sangat tinggi yang hidup di dalam daun.

Daun dari tanaman Arabidopsis yang sehat (kiri) dan daun dari tanaman mutan disbiosis (kanan). Sheng Yang He, CC BY-SA

Kedua, terjadi perubahan keanekaragaman mikroba yang drastis. Misalnya, secara normal Arabidopsis Daun tanaman, terdapat berbagai jenis bakteri yang hidup di dalam daun. Sebaliknya, keragaman bakteri secara keseluruhan sangat berkurang pada mutan disbiotik, menunjukkan bahwa tanaman yang sehat mempromosikan keanekaragaman mikroba, mungkin untuk meningkatkan manfaat bagi kesehatan tanaman.

Ketiga, sedangkan bakteri yang termasuk dalam filum Fermikut berlimpah di dalam tipe liar Arabidopsis daun, kelimpahan berkurang secara signifikan pada mutan genetik kita. Selain itu, kami melihat peningkatan dramatis dalam jumlah bakteri berbahaya di dalam daun mutan dysbiosis. Kami merasa menarik bahwa beberapa dari perubahan mikrobiota ini juga diamati pada pasien penyakit radang usus manusia, menunjukkan paralel konseptual dalam perkembangan disbiosis pada manusia dan tumbuhan.

Apa selanjutnya?

Kami sangat senang dengan identifikasi kami atas beberapa gen tanaman dan proses yang terlibat dalam mencegah disbiosis. Gen pengontrol mikrobiota yang kami identifikasi Arabidopsis ditemukan dalam genom banyak tanaman lain, menunjukkan bahwa temuan kami mungkin memiliki penerapan yang luas.

Di masa depan, kami dapat bereksperimen dengan mengubah gen inang ini, yang dapat mengarah pada pendekatan berbasis mikrobiota yang meningkatkan kesehatan tanaman. Misalnya, teknologi pengeditan gen dapat digunakan untuk membuat bioma yang sehat pada daun tanaman dengan meningkatkan ekspresi gen tertentu. Mikrobioma sintetis yang sehat dapat diformulasikan sebagai probiotik untuk mencegah disbiosis pada tanaman probiotik telah dijanjikan untuk meningkatkan kesehatan mikrobioma usus manusia.

Sebagai catatan, mutasi pada gen yang terkait dengan sistem kekebalan seseorang adalah hal yang terkenal faktor risiko perkembangan penyakit radang usus pada manusia. Mungkin, penelitian di masa depan akan menemukan lebih banyak karakteristik bersama tentang bagaimana tumbuhan dan manusia berinteraksi dengan mikrobiota masing-masing untuk mencegah penyakit.

Kemudahan studi genetik pada tumbuhan, seperti Arabidopsis, juga menawarkan kemungkinan bahwa para peneliti akan dapat mengidentifikasi lebih banyak gen yang terlibat dalam menjaga kesehatan mikrobiota pada manusia dan tumbuhan.

tentang Penulis

Sheng-Yang He, Profesor Terhormat Universitas, Penyelidik HHMI, Michigan State University

Artikel ini diterbitkan kembali dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Membaca Artikel asli.

ing