Con l'aumento della popolazione mondiale, stima che raggiungerà quasi 10 miliardi entro il 2050, lo stesso vale per la necessità di aumentare i raccolti e produrre materiale vegetale sufficiente sia per il cibo che per i combustibili alternativi sostenibili. Per aiutare a migliorare le strategie di selezione delle colture e superare sfide come rendere le piante più tolleranti verso i terreni marginali, e stress come siccità e scarsa disponibilità di nutrienti, i ricercatori si stanno concentrando sulla comprensione e sulla promozione di relazioni benefiche pianta-microbo.

Pubblicato il 18 dicembre Edizione 2017 in Genetica della natura , un team guidato da ricercatori del Joint Genome Institute (JGI) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, e l'Howard Hughes Medical Institute presso l'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill (UNC) hanno sfruttato un catalogo di genomi batterici per identificare e caratterizzare i geni candidati che aiutano i batteri ad adattarsi agli ambienti vegetali, specificamente geni coinvolti nella colonizzazione delle radici batteriche.

La maggior parte degli studi sul campo fino ad oggi si sono concentrati sulla struttura comunitaria del microbioma vegetale, cioè "chi c'è, " e meno sulla funzione, cioè "cosa stanno facendo, come e quando lo stanno facendo." Precedenti studi che hanno considerato la funzione hanno principalmente esaminato una singola interazione ospite-microbo, come quello tra una pianta di Arabidopsis e un patogeno.

"Se vogliamo progettare il microbioma giusto per supportare la crescita delle piante, dobbiamo capire la vera funzione del microbioma e non solo i geni marcatori di sequenza, ", ha affermato il co-autore dello studio Asaf Levy, un ricercatore presso il JGI. "Qui abbiamo usato un enorme sforzo genomico e computazionale per rispondere alla domanda fondamentale e importante:'Come interagisce il microbioma della pianta con la pianta?'"

La maggior parte dell'interazione tra microbi e piante avviene all'interfaccia tra le radici e il suolo. Ricercatori dell'UNC, Laboratorio nazionale di Oak Ridge, e il Max Planck Institute hanno isolato nuovi batteri dall'ambiente radicale delle Brassicaceae (191), pioppi (135), e mais (51). I genomi di questi 377 isolati batterici, più altre 107 singole cellule batteriche dalle radici di A. thaliana, sono stati poi sequenziati, assemblato, e annotato presso il JGI.

Gli autori hanno quindi combinato i nuovi genomi con migliaia di genomi pubblicamente disponibili che rappresentano i principali gruppi di batteri associati alle piante, e includeva batteri provenienti da più ambienti vegetali e non vegetali, come l'intestino umano, per confronto. Il database risultante di 3837 genomi, di cui 1160 da piante, è stato utilizzato in un'analisi genomica comparativa.

I ricercatori hanno quindi identificato i geni che sono arricchiti nei genomi di organismi associati alle piante e alle radici.

"È molto importante per noi capire quali geni e funzioni i microbi usano per colonizzare le piante perché solo così potremmo avere la possibilità di escogitare razionalmente utili "probiotici vegetali" per aiutarci a coltivare più cibo ed energia con meno input chimici come fertilizzanti e pesticidi o fungicidi, ", ha affermato l'autore senior dello studio Jeff Dangl, un ricercatore dell'Howard Hughes Medical Institute e il John N. Couch Professor of Biology presso l'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill

Tra le intuizioni chiave acquisite dallo studio c'era che i genomi associati alle piante e al suolo tendono ad essere più grandi dei genomi di controllo dello stesso clade. Si è scoperto che ciò è dovuto in parte all'arricchimento di geni coinvolti nel metabolismo e nel trasporto dello zucchero, probabilmente un adattamento al carbonio vegetale derivato dalla fotosintesi, generato dalle "fabbriche di caramelle" della natura, " ha affermato Asaf Levy. Fino al 20% del carbonio fissato dalle piante attraverso la fotosintesi viene essudato attraverso le radici sotto forma di zuccheri per attirare i microbi.

Sono stati identificati anche numerosi geni che sembrano imitare le funzioni delle piante, codificando "domini PA e RA simili a piante" o PREPARADO. "È ben noto che i patogeni delle piante utilizzano proteine ​​che imitano i domini vegetali necessari per la funzione immunitaria, " ha detto Dangl. "Immagina che l'agente patogeno inietta direttamente nella cellula vegetale una proteina che imita parte di una particolare macchina del sistema immunitario. È come mettere un ingranaggio parzialmente difettoso in una ruota:le ruote non possono più girare. Riteniamo che i domini proteici associati alle piante che abbiamo identificato potrebbero funzionare allo stesso modo".

I geni in rapida evoluzione sono spesso la firma di una corsa agli armamenti molecolari tra organismi che condividono un ambiente. Questi geni sono spesso usati in offesa o difesa contro altri organismi. Nello studio sono state identificate due nuove famiglie di proteine ​​in rapida evoluzione associate a diversi "stili di vita" di batteri associati alle piante. Uno, trovato nei batteri commensali, è stato soprannominato "Jekyll"; l'altro, presente nei batteri patogeni, è stato chiamato "Hyde". Con i collaboratori di Virginia Tech e ETH (Svizzera), Gli scienziati del JGI hanno scoperto che questi ultimi sono molto efficienti nell'uccidere i batteri concorrenti, potenzialmente per aiutare questi "Hyde" a conquistare la nicchia fogliare.

Il catalogo completo dei nuovi genomi e dei geni associati alle piante è disponibile per la comunità di ricerca attraverso un portale web dedicato:Caratteristiche genomiche dell'adattamento batterico alle piante.

"Il database è una risorsa preziosa per la comunità di ricerca che studia le interazioni pianta-microbo in quanto è un modo imparziale per identificare i geni potenzialmente interessanti coinvolti nell'interazione con una pianta, inclusi molti geni totalmente nuovi. Attualmente stiamo studiando sperimentalmente la funzione di molti dei questi geni per ottenere una migliore comprensione funzionale del microbioma vegetale". ha detto Levy.