La genetica delle piante ospiti determina quali microrganismi attirano, secondo uno studio.

19 dicembre 2023

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di Ananya Sen, University of Illinois at Urbana-Champaign

Le piante spesso sviluppano comunità con microrganismi nelle loro radici, il che influenza la salute e lo sviluppo delle piante. Sebbene il reclutamento di questi microrganismi sia influenzato da diversi fattori, non è chiaro se la variazione genetica delle piante ospitanti giochi un ruolo. In uno studio recente, ricercatori dell'Università di Illinois Urbana-Champaign hanno esplorato questa domanda e il loro lavoro può contribuire a migliorare la produttività agricola.

"In precedenza, i ricercatori si sono limitati a osservare che tipo di microrganismi sono presenti in associazione con le piante, ma non quali potrebbero guidare la formazione di queste comunità e come potremmo controllare questi processi attraverso la coltivazione delle piante", ha detto Angela Kent (CABBI), professoressa di risorse naturali e scienze ambientali.

I microrganismi formano comunità complesse chiamate microbiomi nelle radici delle piante e intorno ad esse. Le piante ospitanti possono determinare quali microrganismi sono invitati nelle loro radici - noti come endofiti - utilizzando segnali chimici. Possono anche modificare le proprietà del suolo intorno alle radici per influenzare quali microrganismi possono crescere intorno alla superficie radicale o rizosfera.

Tuttavia, per selezionare piante in base ai microrganismi con cui si associano, i ricercatori devono prima capire in che misura i genomi delle piante possono influenzare il microbioma della rizosfera.

Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno studiato due specie native di erba argentata: Miscanthus sinensis e Miscanthus floridulus. Queste piante sono considerate possibili colture per la bioenergia perché richiedono concentrazioni di nutrienti più basse per ottenere una maggiore crescita rispetto alle colture tradizionali.

Lo studio è stato condotto in 16 siti di Taiwan e ha incluso una serie di condizioni ambientali, come sorgenti termali, vette montane e valli, per rappresentare tutti gli estremi ambientali possibili. I ricercatori hanno raccolto 236 campioni di suolo della rizosfera da piante di Miscanthus selezionate casualmente e hanno isolato anche il microbioma all'interno delle radici.

"Nonostante le dimensioni senza precedenti di questo studio, siamo stati attenti alle normative di protezione delle piante e alla quarantena. Abbiamo elaborato i campioni a Taiwan per estrarre la comunità microbica endofitica e raccogliere il microbioma della rizosfera", ha detto Kent.

I ricercatori hanno utilizzato due tipi di tecniche di sequenziamento del DNA nello studio. I microbiomi all'interno e intorno alle radici sono stati identificati utilizzando la sequenza del DNA dei geni del rRNA batterico e fungino, concentrandosi sulla parte del genoma unica per ogni specie. La variazione nel genoma delle piante è stata misurata utilizzando microsatelliti, che sono piccoli frammenti di DNA ripetitivo in grado di distinguere anche popolazioni di piante strettamente legate.

"I campioni sono stati raccolti 15 anni fa quando il progetto era troppo grande per le capacità di sequenziamento dell'epoca. Con il calo dei costi del sequenziamento, ci ha permesso di riesaminare i dati e analizzare più da vicino il microbioma. Durante l'elaborazione dei campioni, abbiamo anche estratto involontariamente il DNA delle piante e siamo riusciti a utilizzarlo come risorsa per genotipizzare le nostre popolazioni di Miscanthus", ha detto Kent.

"Abbiamo analizzato le sequenze del genoma dell'ospite per capire come possono influenzare il microbioma", ha detto Niuniu Ji, una ricercatrice postdottorato nel laboratorio di Kent. "Ho scoperto che le piante influenzano il microbioma centrale, ed è stato entusiasmante."

Anche se i microbiomi delle piante sono molto diversi, il microbioma centrale è una collezione di microrganismi che si trovano nella maggior parte dei campioni di un particolare insieme di piante. Questi microrganismi sono considerati importanti per organizzare quali altri microrganismi sono associati alla pianta e per contribuire alla crescita dell'ospite.

Il microbioma centrale che i ricercatori hanno trovato in Miscanthus include batteri fissatori di azoto che sono stati trovati in studi su riso e orzo. Tutti questi microrganismi svolgono un ruolo nel contribuire alle piante l'azoto, che è un nutriente vitale per la crescita delle piante. Il reclutamento di microrganismi fissatori di azoto può aiutare le piante ad adattarsi a diversi ambienti, ma soprattutto, questa capacità contribuisce alla sostenibilità di questa erba come possibile coltura per la bioenergia.

D'altra parte, l'influenza della variazione genetica tra le piante ha avuto un effetto inferiore sul microbioma della rizosfera, che è stato influenzato maggiormente dall'ambiente del suolo. Tuttavia, le piante hanno posto maggiore enfasi sul reclutamento di funghi rispetto ad altri microrganismi.

The researchers are interested in parsing out which genes play a role in influencing the microbiome. 'The microsatellites do not have a biological function and are not representative of the whole genome. It would be nice if we could sequence the whole Miscanthus genome and figure out how the genes affect nitrogen fixation,' Ji said.

'Crop breeding is based on yield. However, we need to take a wider look and consider how microbes can contribute to crop sustainability,' Kent said. 'The appeal of working with wild plants is that there is vast genetic variation to look at. We can identify which variants are good at recruiting nitrogen-fixing microbes because we can use fewer fertilizers on these crops. It's an exciting possibility as we embark on adapting these plants for bioenergy purposes.'

The study 'Host genetic variation drives the differentiation in the ecological role of the native Miscanthus root-associated microbiome' was published in Microbiome.

Journal information: Microbiome

Provided by University of Illinois at Urbana-Champaign