Микробиом растений: океан возможностей для повышения устойчивости растений к болезням Часть 1

Абстрактный:

Болезни растений представляют серьезную угрозу для растениеводства и сельскохозяйственной экономики во всем мире. В настоящее время для борьбы с этими инфекциями часто используются химические пестициды, которые вызывают токсичность окружающей среды и появление резистентных патогенов. Более того, генетические манипуляции с путями защиты растений и выведение генов устойчивости достигли ограниченного успеха из-за быстрой эволюции вирулентности и устойчивости патогенов, а также расширения круга хозяев. Кроме того, из-за изменения климата и глобального потепления возникновение множественных стрессов во время вспышек заболеваний еще больше повлияло на общий рост и продуктивность сельскохозяйственных культур, создав серьезную угрозу продовольственной безопасности. В связи с этим использование полезного для растений микробиома и его продуктов может открыть новые возможности для повышения устойчивости к болезням в дополнение к увеличению сельскохозяйственного производства, плодородия почвы и экологической устойчивости.

Связь между периодом вспышки болезни и иммунитетом очень тесная. Во время вспышки заболевания многие люди заражаются, потому что их иммунитет недостаточно силен, чтобы бороться с вторгающимся вирусом или бактериями. Иммунитет – основная линия защиты организма человека от болезней. Это может помочь организму противостоять вторжению и размножению микробов. Если иммунитет недостаточен, организм человека будет подвержен заболеваниям.

Во время вспышки болезни мы можем снизить риск заражения, укрепив свой иммунитет. Способы укрепить вашу иммунную систему включают в себя соблюдение диеты, достаточное количество сна, физические упражнения и избегание стресса и беспокойства. Кроме того, в условиях эпидемической ситуации своевременная вакцинация также является эффективным способом укрепления иммунитета.

Короче говоря, связь между вспышками болезней и иммунитетом неразрывна. Только укрепляя свой иммунитет, мы можем лучше защитить себя от болезней. Поэтому надо повышать иммунитет. Цистанхе позволяет значительно повысить иммунитет. Цистанхе также обладает антивирусным и противораковым действием, что может усилить способность иммунной системы бороться и повысить иммунитет организма.

Нажмите Цистанхе пустынная добавка

Во взаимодействиях растений и полезного микробиома индуцированная системная устойчивость (ISR) стала ключевым механизмом, с помощью которого полезный микробиом настраивает всю растительную систему на лучшую защиту от широкого спектра фитопатогенов и вредителей. В этом обзоре мы представляем последние разработки о роли полезных для растений микробиомов в устойчивости к болезням. Мы также выделяем пробелы в знаниях и обсуждаем, как иммунная система растений различает патогены и полезную микробиоту.

Кроме того, мы предоставляем обзор того, как иммунные сигнатурные гормоны, такие как салициловая кислота (SA), жасмоновая кислота (JA) и этилен (ET), формируют полезные для растений микробиомы. Мы также обсуждаем важность различных высокопроизводительных инструментов и их интеграцию с синтетической биологией для создания специализированных микробных сообществ для устойчивости к болезням. Наконец, в заключение мы выделяем важные темы, которые требуют внимания в будущем, чтобы заполнить пробелы в знаниях, касающихся иммунной системы растений и устойчивости растений к болезням, опосредованным полезным микробиомом.

Ключевые слова:

патогены; иммунитет; микробиом; гормоны; индуцированная системная резистентность; СинКомы.

1. Введение

Растениям постоянно угрожают различные микробные патогены, которые ставят под угрозу их выживание и представляют постоянную угрозу глобальной продовольственной безопасности. В прошлом многочисленные вспышки заболеваний оказывали значительное влияние на нашу сельскохозяйственную продукцию и экономику, особенно в странах с нехваткой продовольствия [1]. Ирландский картофельный голод в девятнадцатом веке был вызван Phytophthora infestans, что привело к гибели более двух миллионов человек и массовой миграции из Ирландии [2]. Точно так же Cochliobolus miyabeanus, вызывающий коричневые пятна на рисе, был еще одним серьезным заболеванием растений и катастрофической эпидемией, унесшей жизни более двух миллионов человек. Продовольственные культуры несут значительные потери урожая во всем мире из-за микробных болезней и вредителей, при этом средние потери составляют 30,3% для риса, 22,6% для кукурузы, 21,5% для пшеницы, 21,4% для сои и 17,2% для картофеля [1].

Болезни растений могут снижать урожайность на 50 процентов в некоторых регионах, в первую очередь среди мелких фермеров, что приводит к серьезным экономическим проблемам [3]. Болезни растений также наносят ущерб видовому разнообразию, последующим затратам, связанным с методами борьбы, и здоровью человека [3]. Возникающие болезни растений и нашествия вредителей оказывают серьезное экономическое воздействие на сельское хозяйство, влияя на продовольственную безопасность, национальную безопасность и здоровье человека [4]. В будущем ожидается, что изменения в географическом распределении патогенов в ответ на изменение климата и рост глобальной торговли сделают возникающие болезни растений более распространенными и тяжелыми [5,6]. Недавние вспышки кофейной ржавчины, вызванные Hemileia Vastatrix в Центральной Америке, также привели к огромным потерям урожая и экономическим кризисам [7].

В отличие от эндемических болезней, с которыми можно бороться, возникающие болезни могут иметь серьезные последствия для современных сельскохозяйственных и других систем ресурсов, что требует оперативных стратегий смягчения последствий. В настоящее время всемирная эпидемия угрожает здоровью миллионов людей во всем мире. Следовательно, наличие питательной и здоровой пищи имеет решающее значение для того, чтобы помочь людям вырваться из бедности и добиться лучших результатов в отношении здоровья.

За последние два десятилетия научные открытия в значительной степени способствовали нашим усилиям по борьбе с инфекциями растений. Например, генетическая модификация иммунных компонентов растений и выведение устойчивых генов — это несколько стратегий, которые использовались для борьбы с патогенами растений [8]. Однако вспышки тяжелых заболеваний усугубляются быстрым развитием вирулентности и резистентности патогенов, а также расширением ареала растений-хозяев, главным образом в условиях современных методов ведения сельского хозяйства, что создает серьезные проблемы для создания долговременно устойчивых к болезням сортов. С другой стороны, применение химических микробицидов и фунгицидов было частично успешным, но их чрезмерное использование наносит ущерб окружающей среде, людям и появлению новых устойчивых патогенов [9].

Например, несколько примеров устойчивых к фунгицидам патогенов растений, представляющих значительную опасность для коммерчески значимых сельскохозяйственных культур, включают Botrytis cinerea, Alternaria sp., Plasmopara viticola, Pseudocercospora fijiensis, Ramularia collo-cygni и возбудители мучнистой росы [10]. Пестициды также могут оказывать влияние на полезную микробиоту, которая обычно защищает растения от патогенов, конкурируя с ними, ингибируя их колонизацию, активируя иммунологические пути растений или секретируя противомикробные соединения [11]. В настоящее время рост устойчивых к пестицидам патоваров является одним из наиболее серьезных негативных последствий чрезмерного использования пестицидов в современном сельском хозяйстве.
Из-за ограничений существующих стратегий смягчения последствий для борьбы со вспышками заболеваний необходимо искать другую альтернативу, более эффективную и экологически безопасную. В этом контексте использование потенциала полезных для растений микробиомов и их продуктов является жизнеспособной стратегией для смягчения последствий болезней растений в устойчивом сельском хозяйстве благодаря многогранным функциям, которые они выполняют для своих хозяев, таким как стимулирование роста, обеспечение доступности питательных веществ, повышение плодородия почвы, экологичность и повышение устойчивости к множественным стрессам. Здесь мы сосредоточимся на последних разработках, касающихся роли полезных для растений микробиомов и устойчивости к болезням. Мы также обсудим, как иммунные сигнатуры растений формируют полезные микробиомы растений. Кроме того, мы предоставляем обзор того, как системы защиты растений взаимодействуют с полезными и патогенными микробами. Недавние исследования показали, что особенности растительного микробиома на уровне отдельных особей и сообществ повышают иммунитет растений в различных культурных системах.

2. Микробиом растений и устойчивость к болезням: новый устойчивый подход к борьбе со вспышками новых болезней

Растения в природе сосуществуют с разнообразными микробными сообществами, которые могут быть полезными, комменсальными и патогенными. Растения взаимодействуют с этими разнообразными микробами в трех ключевых областях: филлосфере, эндосфере и ризосфере. Микробиом растений включает множество элегантных видов, включая грибы, бактерии, простейшие, археи и вирусы. Микробиомы растений могут быть полезны различными способами, включая защиту растений от вредоносных инфекций, повышение устойчивости к широкому спектру абиотических стрессов, увеличение роста, здоровья и продуктивности, а также предоставление растениям конкурентного преимущества в ответ на климатические изменения [12]. –14]. Однако на сложные и динамические взаимодействия между растениями и микробиомами сильно влияют хозяин, микроб и окружающая среда, образуя трио-комплекс, который влияет на их общий результат [14].

Микробиом растений играет многогранную роль в защите растений от атак патогенов с использованием различных стратегий, таких как активация иммунных ответов, индуцированная системная резистентность (ISR) и отложение каллозы. Они также отвечают за производство и выделение следующих веществ: противомикробные соединения, такие как 2,4-диацетилфлороглюцин, протеазы, хитиназы, бактериоцины и сидерофоры; липопептиды, такие как итурин А, бафиломицин D и микосубтилин; и летучие соединения. Более того, они также ингибируют патогены, конкурируя за питательные вещества и пространство, как показано на рисунке 1. Интересно, что во взаимодействиях растений и полезного микробиома ISR выступает в качестве ключевого механизма, с помощью которого полезный микробиом запускает всю растительную систему для лучшей защиты от вредителей. широкий спектр фитопатогенов и вредителей [15]. ISR — это общий термин, используемый для обозначения механизма индуцированной устойчивости, стимулируемого как химическими, так и биологическими индукторами, которые защищают неэкспонированные органы растений от последующих атак патогенных бактерий и травоядных вредителей.

Как правило, ISR регулируется комплексом взаимосвязанных сигнальных каскадов, в которых растительные гормоны, такие как JA, ET и SA, а также их перекрестные помехи играют важную регулирующую роль. Однако в большинстве полезных взаимодействий растений и микробиома ISR преимущественно регулируется гормональными каскадами JA и ET. Это было дополнительно доказано как на мутантных растениях JA/ET, так и на диких растениях арабидопсиса, в которых полезные бактерии, такие как Pseudomonas fluorescens WCS417r-ISR, Serratia marcescens, Pseudomonas protegens CHA0 и Pseudomonas fluorescens Q2-87, и полезные грибы, такие как Penicillium sp. GP16-2 и Trichoderma harzianum T39 запускают ISR зависимым от JA/ET образом [16–19]. Тем не менее, есть несколько отчетов, которые показывают, что полезные микробы также вызывают ISR в зависимости от SA. Например, полезные бактерии, такие как Pseudomonas aeruginosa 7NSK2, не могут вызвать ISR в мутантных по SA растениях томата [20].

В результате было бы интересно исследовать, как микробиомы, полезные для растений, активируют ISR, поскольку микробиомы растений содержат разнообразную микрофлору, адаптированную к разному образу жизни. Следовательно, необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, как гормоны JA / ET и SA, а также их взаимодействия, играют роль в активации ISR, опосредованной микробиомом. В растениях полезные бактерии, патогены и насекомые имеют общие связанные сигнальные пути, регулируемые ISR. Следовательно, необходимы дополнительные исследования, чтобы точно определить ключевых участников ISR, запускаемых как патогенами, так и микробиомами, которые могут выявить, используют ли они сходные или разные сигнальные или генные сети.

Во многих исследованиях сообщается, что микробиота растений придает устойчивость к различным патогенам в зависимости от образа жизни. Например, активация врожденного иммунитета у растений через корневую микробиоту широко охарактеризована как обеспечивающая устойчивость к многочисленным надземным болезням растений через ISR [15,21]. Сообщалось, что активация ISR является важным фактором устойчивости растений к большинству бактерий, стимулирующих рост растений (PGPR) [15,22]. Предыдущие исследования показали, что бактериальные и оомицетовые инфекции в листьях арабидопсиса влияют на корневой экссудат, способствуя сбору полезных микроорганизмов, запускающих ISR [23,24].

У растений корневые экссудаты играют важную роль не только в формировании полезного микробиома, но и в обеспечении устойчивости к болезням путем прямого ингибирования роста патогенов или активации иммунной системы растений. Растения выделяют разнообразные корневые экссудаты, такие как органические кислоты, витамины, флавоноиды, полисахариды, аминокислоты и сахара, которые прямо или косвенно придают хозяину устойчивость к болезням. Многие полезные бактерии активно реагируют на корневые экссудаты, регулируя свою транскрипционную программу в сторону признаков, участвующих в колонизации корней, активации ISR, хемотаксиса, образования биопленок и энергетического метаболизма, которые важны для ингибирования патогенов и прогрессирования заболевания. Хотя роль корневых экссудатов в формировании микробиома растений хорошо изучена, то, как они запускают иммунную систему, в значительной степени неизвестно.

Растущее количество исследований Triticum viaticum [25,26], Arabidopsis thaliana и Beta vulgaris [27] показало, что корни растений, зараженных патогенами, могут привлекать полезные бактерии для спасения или защиты будущих поколений. Также было обнаружено, что члены микробиома эндосферы и ризосферы ингибируют болезни растений, такие как выпревание и увядание [28–30]. Точно так же Kwak et al. [31] сообщили, что ризосферная микробиота растений томата повышает устойчивость к болезням, вызываемым Ralstonia solanacearum. Мендес и др. [32] также сообщили, что ризобактерии из семейств Pseudomonadaceae, Bacillaceae, Solibacteraceae и Cytophagaceae более распространены в ризосфере устойчивых к фузариозу сортов фасоли. Точно так же другое исследование выявило роль полезного микробиома в смягчении негативных последствий болезни картофельной парши, идентифицировав ключевые роды, такие как Geobacillus и Curtobacterium [33]. Многочисленные исследования показали, что полезный микробиом напрямую подавляет патогены с помощью различных стратегий, включая синтез противомикробных соединений, гиперпаразитизм и конкуренцию за питательные вещества и пространство [34,35]. Все эти стратегии приводят к ограничению количества патогенов, но могут варьироваться от микроба к микробу. Например, уязвимые к фузариозу растения огурца часто собирают полезные микроорганизмы, такие как Comamonadaceae и Xanthomonadaceae, для ингибирования патогена Fusarium за счет производства более высоких уровней органических кислот [36]. В предыдущем исследовании сообщалось, что Pseudomonas fluorescens WCS417 способствует отложению каллозы в месте входа патогена, а также запускает экспрессию сигнатурных генов защиты (генов, связанных с патогенезом), которые ограничивают проникновение патогена и прогрессирование заболевания [37].

Недавно сообщалось, что эндофитный штамм Sphingomonas melonis с семенами обеспечивает устойчивость к болезни Burkholderia plantarii, вызывающей фитофтороз риса [38]. В многочисленных исследованиях также было показано, что грибы арбускулярной микоризы (AMF) повышают устойчивость растений к различным заболеваниям. Например, колонизация микоризой различных сельскохозяйственных культур обеспечивает устойчивость к болезням против многочисленных фитопатогенов, таких как Pyrenochaeta terrestris, Fusarium oxysporum f. сп. Lycopersici, Phytophthora nicotianae var. parasitic, P. parasitica и Pseudomonas syringae [39–41]. Кроме того, AMF активирует ISR и системную приобретенную резистентность (SAR), которая обеспечивает устойчивость к патогенам различных образов жизни. Таким образом, расшифровка того, как AMF и полезный микробиом работают вместе, может открыть новые перспективы устойчивости растений к болезням в устойчивом сельском хозяйстве. Кроме того, мы резюмируем роль полезных для растений микробиомов и их продуктов в устойчивости к болезням в таблице 1.

Недавно у растений появилась новая гипотеза в контексте стресса и рекрутирования полезного для растений микробиома, известная как «крик о помощи». Согласно этой гипотезе крика о помощи, растения активно рекрутируют или обогащают определенные микроорганизмы в условиях стресса, которые могут защитить их от пагубного воздействия и могут обеспечить множество преимуществ, стимулирующих рост. Эта гипотеза была дополнительно изучена в различных стрессовых условиях на разных растениях, и результаты были поразительными, демонстрируя, как растения задействуют свои полезные микробиомы для отражения атак патогенов и получения от них дополнительных преимуществ для роста [26]. В этом обзоре мы создали одну модель, показывающую, как атаки патогенов на их хозяев либо подавляют, либо обогащают полезный микробиом, что, в свою очередь, приводит либо к устойчивости к болезням, либо к прогрессированию болезни, как показано на рисунке 2. Однако многие факторы определяют общий успех или неудача полезного для растений микробиома и борьбы с патогенами.

Например, образ жизни патогенов растений, виды растений, факторы окружающей среды, химический состав корневого экссудата, иммунная система растений и сигнатуры могут оказывать значительное влияние (как по отдельности, так и в сочетании) на полезные для растений микробиомы и взаимодействия патогенов. Мы все еще находимся на ранних стадиях понимания сложности полезных для растений микробиомов и устойчивости хозяина к болезням. Следовательно, будущие исследования должны быть сосредоточены на определении того, как полезный для растений микробиом влияет на устойчивость к болезням как у восприимчивых, так и у устойчивых сортов, и как она варьируется между ними, что может предоставить новые возможности для разработки устойчивых к болезням сортов и борьбы с будущими вспышками болезней.

Кроме того, было бы интересно изучить, как восприимчивые растения выделяют летучие соединения (ЛОС) во время атаки патогенов или развития болезни, которые могут запускать иммунную систему растений или сборку микробиома в соседних растениях, делая их бдительными и устойчивыми к желаемым атакам патогенов. ЛОС функционируют как воздушные сигналы в коммуникации между растениями или растениями и микробами, что может помочь растениям в развитии и преодолении стресса как прямым, так и косвенным образом. Хорошо задокументировано, что растения выделяют широкий спектр летучих органических молекул при заражении патогенными микроорганизмами, такими как ароматические соединения, терпены, производные жирных кислот и азотсодержащие соединения, а также летучие фитогормоны, метилжасмонат и метилсалицилат. , которые, по-видимому, прямо или косвенно обеспечивают устойчивость к болезням [51]. В будущем потребуется интеграция аналитических и молекулярных инструментов для расшифровки роли ЛОС, продуцируемых растениями, или полезного микробиома в устойчивости к болезням в различных системах патологии сельскохозяйственных культур. Более того, то, как ЛОС из растений и полезных микробиомов разделяют или различаются в запуске иммунной системы растений, является одной из самых интересных областей исследований в области микробиомов растений. Микроорганизмы 2023, 11, x ДЛЯ ЭКСПЕРТНОГО ОБЗОРА 6 из 15 задействуют свои полезные микробиомы для отражения атак патогенов и получения от них дополнительных преимуществ для роста [26]. В этом обзоре мы создали одну модель, показывающую, как атаки патогенов на их хозяев либо подавляют, либо обогащают полезный микробиом, что, в свою очередь, приводит либо к устойчивости к болезням, либо к прогрессированию болезни, как показано на рисунке 2. Однако многие факторы определяют общий успех или неудача полезного для растений микробиома и борьбы с патогенами.

Например, образ жизни патогенов растений, виды растений, факторы окружающей среды, химический состав корневого экссудата, иммунная система растений и сигнатуры могут оказывать значительное влияние (как по отдельности, так и в сочетании) на полезные для растений микробиомы и взаимодействия патогенов. Мы все еще находимся на ранних стадиях понимания сложности полезных для растений микробиомов и устойчивости хозяина к болезням. Следовательно, будущие исследования должны быть сосредоточены на определении того, как полезный для растений микробиом влияет на устойчивость к болезням как у восприимчивых, так и у устойчивых сортов, и как она варьируется между ними, что может предоставить новые возможности для разработки устойчивых к болезням сортов и борьбы с будущими вспышками болезней. Кроме того, было бы интересно изучить, как восприимчивые растения выделяют летучие соединения (ЛОС) во время атаки патогенов или развития болезни, которые могут запускать иммунную систему растений или сборку микробиома в соседних растениях, делая их бдительными и устойчивыми к желаемым атакам патогенов. ЛОС функционируют как воздушные сигналы в коммуникации между растениями или растениями и микробами, что может помочь растениям в развитии и преодолении стресса как прямым, так и косвенным образом.

Хорошо задокументировано, что растения выделяют широкий спектр летучих органических молекул при заражении патогенными микроорганизмами, такими как ароматические соединения, терпены, производные жирных кислот и азотсодержащие соединения, а также летучие фитогормоны, метилжасмонат и метилсалицилат. , которые, по-видимому, прямо или косвенно обеспечивают устойчивость к болезням [51]. В будущем потребуется интеграция аналитических и молекулярных инструментов для расшифровки роли ЛОС, продуцируемых растениями, или полезного микробиома в устойчивости к болезням в различных системах патологии сельскохозяйственных культур. Более того, то, как ЛОС из растений и полезных микробиомов разделяют или различаются в запуске иммунной системы растений, является одной из самых интересных областей исследований в области микробиомов растений.

For more information:1950477648nn@gamil.com