多年生作物の葉圏マイクロバイオームの季節活動

Jun 09, 2024

Nature Communications volume 14、記事番号: 1039 (2023) この記事を引用

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植物と微生物の間の相互作用を理解することで、マイクロバイオーム管理に情報を提供し、作物の生産性とストレスに対する回復力を高めることができます。 今回我々は、ゲノム中心のアプローチを適用して、野外で栽培したスイッチグラスとススキの再現プロット上で生態学的に重要な葉のマイクロバイオームメンバーを特定し、スイッチグラスの2つの生育期にわたるそれらの活動を定量化した。 私たちはメタゲノムおよびメタトランスクリプトーム配列決定を使用し、40 の中品質および高品質のメタゲノム構築ゲノム (MAG) を厳選します。 我々は、これらのMAGに代表されるクラス（放線菌、アルファプロテオバクテリア、ガンマプロテオバクテリア、バクテロイドータ）が季節の終わりに活動し、短鎖デヒドロゲナーゼ、モリブドプテリン酸化還元酵素、ポリケチドシクラーゼの転写物を上方制御することを発見した。 ストレス関連経路はほとんどの MAG で発現しており、宿主環境との関与を示唆しています。 また、季節的に活性化されるテルペンの生合成経路や、注釈が不十分なさまざまな非リボソームペプチド経路も検出します。 私たちの発見は、葉に付随する細菌集団が季節的に動的であり、宿主の合図に応答することを裏付けています。

多年生植物は、バイオ燃料の持続可能な開発にとって重要なターゲットです1、2、3。 多年生作物は、バイオ燃料やバイオ製品に変換できる高いバイオマスを生み出すことに加えて、温室効果ガスの緩和や土壌栄養循環の促進など、気候変動を緩和する取り組みをサポートする幅広い生態系サービスを提供します1、4、5、6。 すべての植物と同様に、多年草には多様な微生物叢があり、これらの微生物の多くは既知であるか、宿主に利益をもたらすことが期待されています。 たとえば、植物関連微生物は生産性を向上させ、環境ストレス要因から保護することができます。 多くの植物関連マイクロバイオームのメンバーと宿主との密接な関与のため、植物マイクロバイオームの管理は、作物の活力を促進し、地球規模の気候変動に対する作物の回復力をサポートするために提案されているツールの 1 つです7、8、9、10。 したがって、品種改良やデータに基づいた圃場管理と並んで、植物マイクロバイオームの制御は、バイオ燃料原料の持続可能な生産にとって戦略的であると期待されています。

植物には解剖学的区画があり、それぞれの区画に独特の微生物共同体が生息しています。 一般に、植物マイクロバイオームの多様性と構成は外部コンパートメントから内部コンパートメントに向かって狭くなり、植物はマイクロバイオーム構成を内部にフィルタリングする際に積極的な役割を果たします11、12、13。 外部の植物区画には、地下の根域、根圏および根面、および地上の着生葉圏が含まれます14。 外部コンパートメントには一過性または共生微生物分類群が比較的多く含まれており、これらのコンパートメントは周囲の環境から微生物と関わり、微生物を動員します。 内部コンパートメントには地上および地下組織の内圏が含まれており、これらは比較的豊富度が低く、最も選択された微生物叢を保持しています 15,16。 これらの区画のうち、根圏は、栄養素と水分の獲得に重要な微生物と植物の相互作用の重要な部位として最も注目されています（例、Kuzyakov と Razavi17）。 しかし、葉圏に生息する微生物叢のメンバーも、病原体の排除や免疫プライミングなどの重要な植物機能を提供します 18,19。 葉圏微生物は、その暴露された生活様式に特殊な適応を持ち 16,20,21,22 、気候変動に関連する変化を含む地球規模の炭素およびその他の生物地球化学的循環に寄与し 23,24,25 、最大の地上表面積に生息しています 26。 多年生バイオ燃料原料は葉の表面積を最大化するように選択されることが多いため、葉圏マイクロバイオームを理解することで、植物の生産性とストレス耐性をサポートするために有益な微生物の関与についての洞察が得られると期待されています。