Растителен микробиом: Океан от възможности за подобряване на устойчивостта на растенията към болести, част 2

4. Роля на сигнатурите за защита на растенията при оформянето на полезния за растенията микробиом

Сглобяването на полезни за растенията микробиоми се контролира динамично от сложни взаимодействия между гостоприемници, микроорганизми и променливи на околната среда (14, 64). Има много отлични прегледи, които описват как кореновите ексудати и факторите на околната среда оформят полезния микробиом на растението при различни условия (13,14,65). В този преглед ние се фокусираме върху това как сигнатурите за защита на растенията влияят върху полезния за растенията микробиом. Имунната система на растенията е сложна система, регулирана от различни защитни сигнатури хормони, като салицилова киселина (SA), жасмонова киселина (A) и етилен (ET).

Ролята на тези разностранни хор. моните в защитните реакции на растенията са добре разбрани както в моделните, така и в културните растения. Например, SA-зависимите защитни механизми осигуряват устойчивост срещу биотрофични патогени, докато JA и ET-зависимите защитни механизми са ефективни срещу некротрофни патогени и тревопасни насекоми (66,67). Наскоро те бяха идентифицирани като важни двигатели на сглобяването на полезни за растенията микробиоми.

Връзката между хормоните и имунитета е сложна и зависи от множество фактори, като тип хормон, доза, начин на приложение, разпределение на клетъчните рецептори, индивидуален имунен статус и съществуващи заболявания.

Някои хормони влияят на имунния отговор и засягат различни аспекти на имунната система по различни начини. Например, глюкокортикоидите могат да намалят възпалителните реакции и медиираната от имунните клетки цитотоксичност, което може да доведе до имуносупресия и чувствителност към инфекциозни заболявания. ACTH е свързан с диференциацията, пролиферацията и функцията на имунните клетки и играе важна роля в имунния отговор.

От друга страна, имунната функция на хормоните може да окаже влияние върху специфични видове заболявания. Например, някои хормони могат да повлияят на появата и развитието на автоимунни заболявания чрез промяна на активността и съдбата на имунните клетки, като ролята на инсулиноподобния растежен фактор и тиреоидния стимулиращ хормон при диабет и автоимунни заболявания на щитовидната жлеза.

Като цяло, имунната система и хормоните са сложни системи, които се регулират и си влияят взаимно, и са необходими внимателни изследвания, за да се постигне дълбоко разбиране на техните взаимодействия. От тази гледна точка трябва да подобрим нашия човешки имунитет и Cistanche може да бъде значително подобрен, тъй като Cistanche е богат на различни антиоксидантни вещества, като витамин C, витамин C, каротеноиди и др. Тези съставки могат да поглъщат свободните радикали и намаляване на оксидативния стрес, Подобряване на устойчивостта на имунната система.

Click cistanche tubulosa ползи

Например, Lebeis et al. (68] съобщават, че SA модулира колонизацията на кореновия микробиом чрез специфични бактериални таксони в Arabidopsis. Това проучване показа, че SA нокаутираните мутанти на Arabidopsis имат коренови микробиоми, които се различават от относителното изобилие от див тип на специфични бактериални семейства. От друга страна от страна, NPR1 (SAreceptor) мутанти имат намалено разнообразие на ендосферните микробиоми, главно алфа разнообразие, а също и по-малко ендофитна колонизация (69 701. JA пътят също беше идентифициран като важен двигател на сглобяването на микробиоми, медиирано от имунната система на растенията в Arabidopsis. Това проучване показа, че мутантният път на JA в растенията Arabidopsis, а именно myc2 и med25, имат различни микробни общности в сравнение с растения от див тип (71)

По подобен начин при Arabidopsis е доказано, че екзогенното третиране с JA повишава алфа разнообразието на ризосферата на Arabidopsis, като същевременно обогатява много важни полезни микробни таксони (72). ЕТ, който често действа синергично с JA в защитната сигнализация, също влияе върху благоприятното сглобяване на микробиома. Например, при фъстъците, екзогенният ЕТ увеличава алфа разнообразието на ризосферата, особено количеството актинобактерии, като същевременно намалява изобилието на киселинни бактерии (70). Въпреки това, ефектът от сигнатурите за защита на растенията и сглобяването на полезния микробиом на охлаждащата течност варира в зависимост от растителните видове и отделения.

Например, доказано е, че JA играе различна роля в епифитния Arabidopsis leaf com. муниции и пшеница (T. aestivum) състав на кореновата ендосферна общност (73,74). Тези констатации предполагат, че ефектът на растителните хормони върху кореновата микробиота може да варира в зависимост от вида. Разбирането как растителните хормони влияят върху полезния коренов микробиом в културите е от решаващо значение за манипулиране на взаимодействията растение-микробиом за по-добра продуктивност на растенията. Въпреки това много въпроси остават без отговор: фурмите, които от своя страна влияят на полезния микробиом? (2)

Как триото SA/JA и Elcrosstalk влияят върху полезния микробиом на растението по време на патогенни инфекции? (3) Как подписите за защита на растенията взаимодействат с други двигатели на сглобяването на микробиома и какъв е ефектът им върху полезния микробиом? По-задълбочено разбиране на манипулирането на растителния микробиом по ендогенния път може да осигури нови стратегии за развъждане и инженерство за подобряване на устойчивите добиви и устойчивостта на културите. Освен това, ние обобщаваме как сигнатурите за защита на растенията влияят върху сглобяването на полезни за растенията микробиоми на Фигура 4.

5. Разработване на устойчиви на болести микробни общности за устойчивост на болести

През последното десетилетие нашето разбиране за полезния за растенията микробиом нарасна драматично. Интегрираните техники, като различни мулти-омики и стратегии за инженеринг на микробиоми, значително подобриха нашето разбиране за организацията и динамиката на растителния микробиом и неговите взаимодействия [13,14,75]. Например, при диви и бензоксазиноидни прекурсорни мутантни царевични растения, комбиниран метагеномен и метаболомичен анализ разкри, че бензоксазиноидните метаболити играят важна роля във формирането на микробиома на ризосферата [76].

По подобен начин Stringlis et al. [77] откриват, че отделянето на кумарин от корените може да повлияе на микробиома на ризосферата в растенията Arabidopsis (диви и мутантни), използвайки комбинирани метаболомични и метагеномни методи на пушка. Скорошна работа използва метагеномика и метаболомика, за да изследва ефекта на ексудираните от корена тритерпени върху състава на кореновата микробиота [78]. Въпреки това, има малко проучвания за полезния микробиом на растението и устойчивостта на болести.

Независимо от това, полезните за растенията микробиоми и техните продукти привличат все по-голям интерес като средство за борба с огнищата на болести при климатични промени поради тяхната цялостна ефективност срещу множество стресови фактори и техните характеристики за насърчаване на растежа на растенията. Въпреки това, поради ограничените познания, много неща остават неизвестни. В този контекст, интегрирането на мулти-омика може да предостави нови прозрения за това как имунната система на растенията регулира сглобяването на полезните за растенията микробиоми, химията на кореновите ексудати и техния подбор.

Освен това, прилагането на мулти-омика може да помогне да се разкрие как SA/JA и ET задействат транскрипционно, метаболитно и протеомно препрограмиране, което влияе върху събирането на полезни за растенията микробиоми и което от своя страна може да насърчи растежа и устойчивостта на болести. Досега са идентифицирани различни микробни членове, които инхибират инфекциите; въпреки това, тяхната приложимост в полето е ограничена поради зависимостта им от множество параметри на гостоприемника и околната среда. Освен това микробите се различават по отношение на тяхната физиология, метаболизъм и чувствителност към температура и влага. Следователно съставът на полезния микробиом на растението може да бъде пряко повлиян от изменението на климата. Очаква се микробните общности, живеещи на повърхността на растенията, като филосферата, да бъдат по-пряко засегнати от изменението на климата, отколкото тези в екосистемите на растителната тъкан, които са склонни да изпитват по-постоянни условия на околната среда [79].

Следователно липсата на надземни спасители може да увеличи вероятността от разпространение на патоген или болест в надземните части на растението. В този контекст полезното инженерство на микробиома и редактирането на ген на гостоприемника може да помогне за преодоляването на тези ограничения [80]. Освен това може да са възможни инженерни растения, които отделят ексудати, които насърчават особено благоприятни взаимодействия растение-микроб, което може да придаде устойчивост на болести и насърчаване на растежа на растенията. Предишни проучвания разкриха, че местната микробиота може да спаси своите гостоприемници от възникващи огнища на болести [81]. Следователно, за да се използва напълно потенциалът на местната микробиота, микробиомното инженерство или редактирането на хоста може да са най-практичните стратегии за създаване на ефективни, персонализирани микробни консорциуми, които могат да се използват за управление на бъдещи епидемии от болести. Поради сложността на взаимодействията растение-микробиом, остават много скрити тайни, които ограничават разбирането ни и тяхното въздействие един върху друг.

Въпреки това появата на нови технологии като задълбочено обучение, изкуствен интелект и високопроизводителни фенотипни платформи предоставя невероятна представа за света на растителните микробиоми, като помага на учените да разберат по-добре тяхната сложност и да разработят нови модели на взаимоотношения между растенията и техните полезни микробиоми . Освен това, на Фигура 5, ние обобщаваме различни инструменти, които могат да се използват за изследване на новите граници на света на полезните за растенията микробиоми по отношение на резистентността към болести. Множество национални и международни политически органи признаха, че е от решаващо значение да се манипулира микробиомът растение-почва, за да се повиши производителността на растенията в лицето на изменението на климата [79,82]. В бъдеще съобразените микробни общности ще бъдат най-жизнеспособните източници за предотвратяване на епидемии от болести в устойчивото земеделие. Освен това бъдещите стратегии за развъждане могат да бъдат разширени чрез разбиране как дивите роднини могат да включват растителни гени в изграждането на полезна микробиома при епидемии от болести, което може да помогне при идентифицирането на черти, които могат да се използват за разработване на устойчиви на болести култури.

6. Заключения и бъдещи перспективи

В момента нашето селско стопанство е изправено пред няколко предизвикателства, като глобалното изменение на климата, абиотични и биотични стресови фактори, безплодие на почвата, недостиг на вода и замърсяване, всички от които оказват значително въздействие върху продукцията от култури и представляват сериозна заплаха за продоволствената сигурност. Подобно на това, растителните патогени и огнищата на болести, които причиняват, са имали голямо въздействие върху нашата селскостопанска система от десетилетия, причинявайки огромни хранителни и икономически катастрофи. Понастоящем както ендемичните, така и възникващите болести по растенията се разпространяват и засилват поради увеличения темп на глобално изменение на климата, мутации и еволюцията на нови патовари, разпространение на патогени и предаване чрез световните мрежи за търговия с храни, което затруднява контрола им с налични в момента лечения.

Следователно е необходимо да се намерят нови коригиращи инструменти, които осигуряват ефикасен и дълготраен начин за устойчиво повишаване на устойчивостта на болести и продуктивността на културите. В светлината на това, използването на потенциала на полезните за растенията микробиоми и техните продукти е един от най-адаптивните начини за борба с инфекциите и огнищата на болести в нашата селскостопанска система. Повишеният интерес към полезния за растенията микробиом е резултат от значителния му потенциал да предлага екологични решения за защита от болести по растенията и авангардни инструменти за насърчаване на устойчивостта в агроекосистемите, допринасяйки за нова Зелена революция, която е безопасна за хората и околната среда [83]. ]. През последните 10 години нашето разбиране за взаимодействията между растенията и микробите и техните ефекти върху устойчивостта и производството на културите значително напредна в резултат на omics и други молекулярни инструменти.

Въпреки това започваме да разбираме тази динамична и сложна връзка между полезния микробиом на растението и ефектите, които има върху годността и продуктивността на растението. Въпреки това, в миналото много проучвания показват, че растенията оформят своя полезен микробиом при различни стресови условия, за да се защитят. Тези проучвания наистина отварят нови граници в света на полезните за растенията микробиоми. Разкриването на потенциала на полезния микробиом за устойчивост и производителност на културите е предизвикателство поради сложността на динамиката на растителния микробиом и зависимостта от външни фактори. Освен това нашето разбиране за значението на полезния за растенията микробиом по отношение на екологията и функцията остава ограничено, въпреки че аналитичните изследвания на взаимодействията растения-микроорганизми се разшириха през последните години. Растенията имат различни екологични ниши, които съдържат различни микробиоми и тяхната организация се определя от генетични, метаболитни и екологични фактори. През последните 10 години беше постигнат значителен напредък в разбирането на ролята на генетичните и метаболитни двигатели, които влияят върху полезните за растенията микробиоми; обаче екологичните двигатели остават предимно неизследвани.

Има нужда да се проучат трио връзките между гостоприемниците, полезния микробиом и техните екологични черти, които могат да предоставят невероятна информация за основния микробиом и неговите таксономични и функционални атрибути. В това отношение интегрирането на молекулярната биология, синтетичната биология и екологията може да бъде от решаващо значение за разкриването на сложността на полезния за растенията микробиом и използването му в развитието на високодобивни, интелигентни и устойчиви на климата култури в бъдеще.

В този преглед ние предоставяме многомащабен преглед на ролята на полезния за растенията микробиом в резистентността към болести, който наскоро се превърна в едно от най-вълнуващите изследвания в областта на биологията на растителния стрес. По-долу подчертаваме няколко нерешени въпроса, които трябва да бъдат разгледани, за да проучим потенциала на полезния микробиом на растението за устойчивост на болести. Как полезният за растенията микробиом имитира или избягва имунната система на растението? Има ли подобен подход за избягване или е различен от патогените? Как сигнатурите на имунната система на растенията, като SA, JA и ET, както и триото кръстосани разговори, влияят върху благоприятното сглобяване на микробиома?

Как функционира полезният микробиом срещу биотрофни и некротрофни патогени и как тяхното сигнализиране влияе върху структурата на микробиома? Как полезният за растенията микробиом предлага защита от болести при множество стресове [84]? Нашето разбиране за имунната система на растенията до голяма степен се основава на десетилетия изследвания на взаимодействията между растенията и патогените. В контекста на микробиома, тези знания в момента се преглеждат, оценяват и организират, откривайки очарователни контрасти и прилики [85]. Следователно бъдещите изследвания трябва да се съсредоточат върху това как имунната система на растенията реагира с различни полезни за растенията микробиоми и върху това как влияе върху конкретната полезна микробиота, която насърчава годността и производителността на културите.

Авторски принос:

Концептуализация, HB, SA и AT; писане - подготовка на оригинална чернова, SA и AT; писане—преглед и редактиране, SA, AT и HB; визуализация, AT; надзор, HB; администриране на проекти, HB; придобиване на финансиране, HB Всички автори са прочели и са съгласни с публикуваната версия на ръкописа.

Финансиране:

Това изследване беше подкрепено от Проект за изследване и развитие на горската наука и технологии номер (2023507C10-2323-AB01) на Корейската агенция по горите (Корейски институт за насърчаване на горите).

Изявление на институционалния съвет за преглед:

Не е приложимо.

Декларация за информирано съгласие:

Не е приложимо.

Декларация за наличност на данни:

Не е приложимо.

Конфликти на интереси:

Авторите декларират липса на конфликт на интереси.

Препратки

1. Савари, С.; Willocquet, L.; Петибридж, SJ; Ескер, П.; МакРобъртс, Н.; Нелсън, А. Глобалното бреме на патогени и вредители върху основните хранителни култури. Нац. Ecol. Еволюция 2019, 3, 430–439. [CrossRef] [PubMed]

2. Bourke, PMA Поява на картофена мана, 1943–1946. Nature 1964, 203, 805–808.

3. Ристайно, Ж. Б.; Anderson, PK; Bebber, DP; Brauman, KA; Къниф, Ню Джърси; Fedoroff, NV; Finegold, C.; Гарет, Калифорния; Гилиган, Калифорния; Jones, CM; et al. Постоянната заплаха от възникващи пандемии от болести по растенията за глобалната продоволствена сигурност. Proc. Natl. акад. Sci. САЩ 2021, 118, e2022239118. [CrossRef] [PubMed]

4. Андерсън, ПК; Кънингам, АА; Пател, NG; Моралес, FJ; Епщайн, PR; Daszak, P. Възникващи инфекциозни заболявания на растенията: замърсяване с патогени, изменение на климата и двигатели на агротехнологиите. Тенденции Ecol. Еволюция 2004, 19, 535–544. [CrossRef]

5. Brasier, CM Заплахата за биосигурността за Обединеното кралство и глобалната околна среда от международната търговия с растения. Растителен патол. 2008, 57, 792–808. [CrossRef]

6. Бебер, ДП; Рамотовски, МАТ; Gurr, SJ Вредителите и патогените по културите се движат към полюсите в един затоплящ се свят. Нац. Clim. Чанг. 2013, 3, 985–988. [CrossRef]

7. Авелино, Дж.; Кристанчо, М.; Георгиу, С.; Imbach, P.; Агилар, Л.; Борнеман, Г.; Läderach, P.; Anzueto, F.; Хруска, AJ; Morales, C. Кризите с ръждата на кафето в Колумбия и Централна Америка (2008–2013): Въздействия, правдоподобни причини и предложени решения. Продоволствена сигурност. 2015, 7, 303–321. [CrossRef]

8. Али, С.; Мир, З.А.; Tyagi, A.; Мехари, Х.; Meena, RP; Бхат, JA; Ядав, П.; Папалу, П.; Rawat, S.; Grover, A. Свръхекспресията на NPR1 в Brassica juncea придава широкоспектърна резистентност към гъбични патогени. Отпред. Plant Sci. 2017, 8, 1693. [CrossRef]

9. Танг, FHM; Лензен, М.; McBratney, A.; Maggi, F. Риск от замърсяване с пестициди в глобален мащаб. Нац. Geosci. 2021, 14, 206–210. [CrossRef]

10. Коркли, И.; Fraaije, B.; Хокинс, Н. Управление на устойчивостта към фунгициди: Увеличаване на ефективния живот на продуктите за растителна защита. Растителен патол. 2022, 71, 150–169. [CrossRef]

11. Якобсен, CS; Hjelmsø, MH Селскостопански почви, пестициди и микробно разнообразие. Curr. мнение Биотехнология. 2014, 27, 15–20. [CrossRef] [PubMed]

12. Берг, Г.; Рибакова, Д.; Grube, M.; Köberl, M. Изследваният растителен микробиом: Последици за експерименталната ботаника. J. Exp. Бот. 2016, 67, 995–1002. [CrossRef]

13. Али, С.; Tyagi, A.; Mushtaq, M.; Ал-Махмуди, Х.; Bae, H. Използване на растителен микробиом за смекчаване на токсичността на арсен в устойчивото земеделие. Environ. замърсяване. 2022, 300, 118940. [CrossRef] [PubMed]

14. Али, С.; Tyagi, A.; Парк, С.; Мир, RA; Mushtaq, M.; Бхат, Б.; Ал-Махмуди, Х.; Bae, H. Дешифриране на растителния микробиом за подобряване на толерантността към суша: Механизми и перспективи. Environ. Exp. Бот. 2022, 201, 104933. [CrossRef]

15. Pieterse, CMJ; Zamioudis, C.; Berendsen, RL; Weller, DM; Van Wees, SCM; Bakker, PAHM Индуцирана системна резистентност от полезни микроби. Annu. Фитопатол. 2014, 52, 347–375. [CrossRef]

16. Pieterse, CM; Van Wees, SC; Ван Пелт, JA; Knoester, М.; Laan, R.; Gerrits, H.; Weisbeek, PJ; Van Loon, LC Нов сигнален път, контролиращ индуцирана системна резистентност в Arabidopsis. Растителна клетка 1998, 10, 1571–1580. [CrossRef]

17. Knoester, M.; Pieterse, CM; Bol, JF; Van Loon, LC Системната резистентност в Arabidopsis, индуцирана от ризобактерии, изисква етилен-зависима сигнализация на мястото на приложение. Mol. Взаимодействие с растителни микроби. 1999, 12, 720–727. [CrossRef]

18. Королев, Н.; Дейвид, DR; Elad, Y. Ролята на фитохормоните в базалната резистентност и индуцираната от Trichoderma системна резистентност към Botrytis cinerea в Arabidopsis thaliana. Biocontrol 2008, 53, 667–683. [CrossRef]

19. Позо, MJ; Van Der Ent, S.; Van Loon, LC; Pieterse, CM Транскрипционният фактор MYC2 участва в подготовката за подобрена защита по време на индуцирана от ризобактерии системна резистентност в Arabidopsis thaliana. Нов фитол. 2008, 180, 511–523. [CrossRef]

20. De Meyer, G.; Capieau, K.; Audenaert, K.; Бюканън, А.; Métraux, JP; Höfte, M. Нанограмни количества салицилова киселина, произведени от rhizobacterium Pseudomonas aeruginosa 7NSK2, активират пътя на системна придобита резистентност в зърната. Mol. Взаимодействие с растителни микроби. 1999, 12, 450–458. [CrossRef]

21. Киалва, М.; Салвиоли ди Фосалунга, А.; Дагино, С.; Ghignone, S.; Bagnaresi, P.; Chiapello, M.; Новеро, М.; Спадаро, Д.; Perotto, S.; Bonfante, P. Местните почви с техните микробиоти предизвикват състояние на тревога в доматените растения. Нов фитол. 2018, 220, 1296–1308. [CrossRef]

22. Шореш, М.; Harman, GE; Mastouri, F. Индуцирана системна резистентност и реакции на растенията към гъбични биоконтролни агенти. Annu. Фитопатол. 2010, 48, 21–43. [CrossRef] [PubMed]

23. Berendsen, RL; Vismans, G.; Ю, К.; Песен, Й.; de Jonge, R.; Burgman, WP; Burmølle, М.; Herschend, J.; Бакер, Пенсилвания; Pieterse, CM Индуцирано от заболяване сглобяване на полезен за растенията бактериален консорциум. ISME J. 2018, 12, 1496–1507. [CrossRef] [PubMed]

24. Юан, Дж.; Zhao, J.; Уен, Т.; Джао, М.; Ли, Р.; Гусенс, П.; Хуанг, Q.; Бай, Й.; Vivanco, JM; Ковалчук, GA; et al. Кореновите ексудати водят до пренасяното в почвата наследство от надземни патогенни инфекции. Microbiome 2018, 6, 156. [CrossRef] [PubMed]

25. Ин, С.; Casa Vargas, JM; Шлатер, окръг Колумбия; Hagerty, CH; Hulbert, SH; Paulitz, TC Изборът на общността на Rhizosphere разкрива бактерии, свързани с намалено заболяване на корените. Микробиома 2021, 9, 1–18. [CrossRef]

26. Лиу, Х.; Li, J.; Carvalhais, LC; Пърси, CD; Пракаш Верма, Дж.; Шенк, PM; Singh, BK Доказателство за набирането на полезни микроби в растенията за потискане на пренасяните от почвата патогени. Нов фитол. 2021, 229, 2873–2885. [CrossRef]

27. Карион, VJ; Perez-Jaramillo, J.; Cordovez, V.; Тракана, В.; De Hollander, M.; Ruiz-Buck, D.; Мендес, LW; van Ijcken, WF; Gomez-Exposito, R.; Elsayed, SS; et al. Индуцирано от патогени активиране на потискащи болестта функции в микробиома на ендофитния корен. Наука 2019, 366, 606–612. [CrossRef]

28. Мендес, Р.; Kruijt, М.; De Bruijn, I.; Dekkers, E.; Van Der Voort, M.; Шнайдер, JH; Piceno, YM; ДеСантис, TZ; Andersen, GL; Бакер, Пенсилвания; et al. Дешифриране на ризосферния микробиом за бактерии, потискащи болестта. Наука 2011, 332, 1097–1100. [CrossRef]

29. Дуран, П.; Jorquera, М.; Viscardi, S.; Карион, VJ; de la Luz Mora, M.; Pozo, MJ Скрининг и характеризиране на потенциално потискащи почви срещу gaeumannomyces graminis при екстензивно отглеждане на пшеница от чилийски местни общности. Отпред. Microbiol. 2017, 8, 1552. [CrossRef]

30. Карион, VJ; Cordovez, V.; Tyc, O.; Etalo, DW; de Bruijn, I.; de Jager, VC; Медема, MH; Eberl, L.; Raaijmakers, JM

For more information:1950477648nn@gamil.com