건강한 야생형 애기 장대 식물 (왼쪽)과 미생물 불균형을 앓고있는 돌연변이 식물 (오른쪽). 허성 양, CC의 BY-SA

우리 중 많은 사람들이 염증성 장 질환, 인간의 장내 미생물의 비정상적인 수집과 관련된 쇠약 상태 (장내 미생물 군유 전체). 내 실험실 최근에 인간과 마찬가지로 식물도 dysbiosis로 알려진 이러한 상태를 발전시켜 심각한 결과를 초래할 수 있음을 발견했습니다.

의 일환으로 이 연구, 제 동료들과 저는 식물의 dysbiosis를 제어하는 ​​데 관련된 일부 유전자와 과정이 인간의 것과 유사 할 수 있음을 발견했습니다. 식물계에서 dysbiosis의 발견은 식물 건강과 세계 식량 안보의 혁신을 촉진 할 수있는 새로운 가능성을 열어줍니다.

저는 식물 미생물 학자입니다 식물과 미생물이 어떻게 상호 작용하는지에 관심이 있습니다. 과거에 우리의 연구는 병원성 감염의 분자 세부 사항,이 작업은 제 실험실을 식물 미생물 군집의 매혹적인 세계로 이끌었습니다.

식물에 미생물 군집이 있습니까?

과학자들이 인간의“장내 박테리아”가 균형을 잘 잡아야한다고 말할 때, 그들은 인간의 소화계에 사는 모든 미생물의 유전 물질 또는 장내 미생물 군집을 의미합니다. 식물에도 미생물 군집이 있습니까? 대답은 '예'입니다.

사실, 지상에서 자라는 식물의 부분 인 phyllosphere와 아래에서 자라는 부분 인 rhizosphere는 지구상에서 미생물이 서식하는 가장 큰 서식지 중 하나입니다. 둘 다 지구상의 인간 생활에 필수적입니다.

계통 권은 광합성을 위해 이산화탄소를 흡수하며, 이는 바이오 매스를 구축하는 데 필요하며 식품, 연료, 섬유 및 의약품의 주요 공급원입니다. 광합성은 또한 동물과 인간이 숨을 쉴 수 있도록 산소를 방출하기 때문에 식물은 종종 우리 행성의 폐로 간주됩니다. 반면 근권은 토양에서 물과 영양분을 흡수합니다.

수많은 연구 식물 미생물은 식물이 토양에서 영양분을 추출하고 가뭄, 병원균, 곤충 및 기타 스트레스에 대처하는 데 도움이된다는 것을 보여주었습니다.

생태학 연구 또한 식물 잎에 서식하는 미생물의 다양성이 클수록 식물의 생산성이 높아진다는 점에 주목했습니다.

오늘날 대부분의 식물 과학자들은 작물 생산성과 식량 안보를 보장하기위한 글로벌 전략이 식물의 미생물 군집을 고려해야한다고 믿습니다. UN의 식량 농업기구는 식량 작물의 최대 40 % 매년 식물 해충과 질병으로 인해 손실되며 유엔 총회는 2020을 국제 식물 건강의 해로 선언했습니다.

일부 미생물은 잎과 새싹과 관련이 있으며 또 다른 뚜렷한 세트는 뿌리 사이에 산다. 허성 양, CC의 BY-SA

식물은 어떻게 미생물 군을 건강하게 유지합니까?

식물 건강을위한 미생물 군 (식물 위 또는 근처에 살고있는 특정 미생물 군집)의 중요성을 감안할 때, 우리는 식물이 올바른 미생물 조합을 선택하기 위해 정교한 유전 네트워크를 진화시켜야한다고 생각했습니다.

그것이 사실이라면, 어떤 식물 유전자가 식물을 둘러싼 미생물의 유형에 영향을 미치는지 아는 것은 식물이 더 잘 성장하고 더 강하게 성장하고 더 많은 바이오 매스와 수확량을 생산할 수 있도록 식물 미생물 군집을 최적화하는 미래 연구를 안내 할 수 있습니다.

실제로 우리 그룹은 모델 식물에서 이러한 "미생물 군을 제어하는"유전자 중 일부를 확인했습니다. Arabidopsis thaliana.

우리는 여러 유전자가 식물 면역과 수분 균형에 관여하는 것은 건강한 미생물을 선택하고 유지하는 데 중요합니다. Arabidopsis 식물 잎.

식물에서 이러한 확인 된 유전자를 제거했을 때 Arabidopsis 식물 돌연변이는 미생물의 올바른 혼합을 수용 할 수 없었고 죽은 잎이나 황변을 포함한 dysbiosis의 증상을 나타 냈습니다. 우리가 아는 한 이것은 처음으로 dysbiosis의 부정적인 영향이 인과 적으로 문서화되었습니다 식물 왕국에서.

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'병든'식물의 흥미로운 특징

제 동료들과 저는 돌연변이 체에서 주목할만한 dysbiosis 특징을 관찰했습니다. Arabidopsis 식물.

첫째, dysbiosis 돌연변이 체는 잎 내부에 비정상적으로 높은 수준의 미생물이 사는 경향이 있습니다.

건강한 Arabidopsis 식물의 잎 (왼쪽)과 dysbiosis 돌연변이 식물의 잎 (오른쪽). 허성 양, CC의 BY-SA

둘째, 미생물의 다양성에 급격한 변화가 있습니다. 예를 들어, 보통 Arabidopsis 식물 잎, 잎 안에는 온갖 종류의 박테리아가 살고 있습니다. 대조적으로, 박테리아의 전반적인 다양성은 dysbiotic 돌연변이에서 크게 감소하여 건강한 식물이 미생물 다양성을 촉진하여 아마도 식물 건강에 대한 이점을 증가시킬 수 있음을 시사합니다.

셋째, 문에 속하는 박테리아는 페르 미쿠 테스 야생형 내부에 풍부 Arabidopsis 잎의 풍부함은 우리의 유전자 돌연변이에서 현저하게 감소합니다. 또한, 우리는 dysbiosis 돌연변이 잎 내부의 해로운 박테리아 수가 급격히 증가하는 것을 보았습니다. 우리는 이러한 미생물 변화 중 일부가 염증성 장 질환 인간 환자에서도 관찰되어 인간과 식물의 dysbiosis 발달에 개념적 유사성을 시사한다는 것이 흥미 롭습니다.

무엇 향후 계획?

우리는 dysbiosis를 예방하는 데 관련된 여러 식물 유전자와 과정을 식별하는 것에 대해 흥분됩니다. 우리가 확인한 미생물 총 제어 유전자 Arabidopsis 다른 많은 식물의 게놈에서 발견되어 우리의 발견이 광범위하게 적용될 수 있음을 시사합니다.

미래에 우리는 이러한 숙주 유전자를 변화시키는 실험을 할 수 있으며, 이는 식물 건강을 개선하는 미생물 군 기반 접근법으로 이어질 수 있습니다. 예를 들어, 유전자 편집 기술은 특정 유전자의 발현을 향상시켜 식물 잎에 건강한 생물 군계를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 합성 건강한 미생물 군유 전체는 식물의 dysbiosis를 예방하기 위해 프로 바이오 틱으로 제형 화 될 수 있습니다. probiotics는 인간의 장내 미생물 건강을 향상시킬 것이라고 약속되었습니다..

참고로 사람의 면역 체계와 관련된 유전자의 돌연변이는 잘 알려져 있습니다. 염증성 장 질환 발병 위험 인자 인간에서. 아마도 미래의 연구는 질병을 예방하기 위해 식물과 인간이 각각의 미생물 군과 상호 작용하는 방식에서 더 많은 공통된 특성을 발견 할 것입니다.

Arabidopsis와 같은 식물에 대한 유전 연구의 용이성은 연구원들이 사람과 식물의 미생물 건강을 보존하는 데 관련된 더 많은 유전자를 식별 할 수있는 가능성을 제공합니다.

저자에 관하여

허성 양, HHMI 수사대 명예 교수, 미시간 주립 대학

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