Sequenzierungstechnologien zur Enthüllung von Pflanzen-Mikroben-Interaktionen

Was ist das Mikrobiom?

Der Mikrobiom bezieht sich auf eine Sammlung von Mikroorganismen mit ausgeprägten physikochemischen Eigenschaften, die gut definierte und angemessene Lebensräume besetzen. Dieser Begriff umfasst nicht nur die Mikroorganismen selbst, sondern auch ihre aktiven Zonen, die spezifische ökologische Nischen schaffen. Dieses dynamische und interaktive Mikroökosystem unterliegt im Laufe der Zeit und im Maßstab Veränderungen und hat eine entscheidende Bedeutung für die Funktionsweise und Gesundheit seines Wirts. Es umfasst Mikroorganismen aus verschiedenen Domänen wie Prokaryoten (Bakterien, Archaeen) und Eukaryoten (Protozoen, Pilze, Algen). Die 'aktive Zone' des Mikrobioms beinhaltet mikrobielle Strukturen, Metaboliten, mobile genetische Elemente (wie Transposons, Phagen und Viren) sowie restliche DNA, die in der Umgebung des Lebensraums eingebettet ist.

Die Rolle des Mikrobioms in Pflanzen

Mikrobielle Gemeinschaften innerhalb von Pflanzen weisen im Vergleich zu denen in Tieren deutliche Unterschiede in ihrer Zusammensetzung auf. Aufgrund der größeren Häufigkeit und Vielfalt von Pflanzengemeinschaften sind die in Pflanzen vorkommenden Mikroorganismen relativ komplexer. Diese Pflanzenmikroorganismen können basierend auf ihren Kolonisationsorten in Oberflächenmikroorganismen und intra-gewebliche Mikroorganismen unterteilt werden.

Pflanzen sind fest im Boden verwurzelt, und ihr Wurzelsystem, zusammen mit seiner Apoptose, Abszission und Sekretionen, dient als wichtige Quelle für Nährstoffe und Energie für Mikroorganismen. Die komplexe Struktur des Wurzelsystems führt auch zu verbesserten Wasserverhältnissen und Belüftungsbedingungen innerhalb der etwa 1 mm dicken Schicht in der Nähe der Wurzel, die als Interwurzelregion bekannt ist. Diese Interwurzelregion ist der Hauptort für den Austausch von Nährstoffen und Informationen zwischen Pflanzen und Boden und beherbergt Mikroorganismen, die als Interwurzelmikroorganismen bekannt sind.

Einige Mikroorganismen schaffen es, die Barrieren des Wirts zu überwinden und in die Wurzel einzudringen, wodurch sie zu intra-root Mikroorganismen werden. Darüber hinaus werden Mikroorganismen, die sich auf der Oberfläche des Blattes, insbesondere um die Stomata, befinden, als interleaf Mikroorganismen bezeichnet. Diejenigen, die in der Lage sind, Stomata oder andere Barrieren zu durchdringen, um in das Pflanzengewebe einzudringen, werden als intraleaf Mikroorganismen bezeichnet. Bemerkenswerterweise weisen die Mikroorganismen, die aus verschiedenen Arten oder sogar unterschiedlichen Gewebeteilen derselben Art rekrutiert werden, unterschiedliche Profile auf, obwohl bestimmte Muster erkennbar sind. Die Bakterienpopulationen werden hauptsächlich von Gruppen wie Ascomyceten, Anaplasma, Posterobacteria und Actinobacteria dominiert, während Pilze hauptsächlich durch Ascomyceten und Stamenomyceten vertreten sind.

Mikrobiom im Pflanzenökosystem. (Shelake et al., 2019)

Welche Faktoren beeinflussen die Struktur von Pflanzenmikroben?

Die Struktur des Pflanzenmikrobioms wird von einer Vielzahl von Faktoren geprägt. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens wirken als anfänglicher Bestimmungsfaktor und beeinflussen den Umfang der Gemeinschaft, mit der die Pflanzenwurzeln direkt interagieren können. Umweltveränderungen, Insektenaktivität und herbivore Fütterung haben einen erheblichen Einfluss auf die mikrobielle Zusammensetzung, die den oberirdischen Teilen der Pflanze zugänglich ist. Die spezifische Pflanzenart und ihre Wachstumsphase spielen eine direkte Rolle bei der Auswahl des mit der Pflanze assoziierten Mikrobioms. Diese Dynamiken wirken sich insgesamt auf die laterale Verbreitung des Pflanzenmikrobioms aus. Im Fall von Blütenpflanzen nutzen Mikroorganismen auch Pollen, Nektar und schließlich Samen, um vertikal als Samenmikroben in den nachfolgenden Lebenszyklus übertragen zu werden.

Gleichzeitig bewerten Pflanzen aktiv Umweltmikroben basierend auf spezifischen Anforderungen. Zunächst werden primäre Verbindungen, die durch Photosynthese erzeugt werden, wie Zucker und Aminosäuren, über die Wurzeln in die umliegende Umgebung abgegeben. Dies führt zur Rekrutierung von Mikroorganismen aus dem mikrobiellen Saatgutbank des Bodens, unterstützt durch Nährstoffangebote. Darüber hinaus werden sekundäre Metaboliten wie Coumarine, phenolische Verbindungen und Postverbindungen synthetisiert, was einen Screening-Prozess für geeignete mikrobielle Partner anstößt. Einige Partner versuchen, eine engere Beziehung aufzubauen und dringen über kortikale Zellen in das Gewebe ein. Die Pflanze übt hier eine genauere Auswahl aus und aktiviert ihre eigenen Immunreaktionen, um unerwünschte Partner abzustoßen. Letztendlich werden verschiedene Kooperationsniveaus mit Mikroorganismen etabliert, die unterschiedliche Funktionen erfüllen, abhängig von den Anforderungen der Pflanze.

Fortschritte in der Pflanzen-Mikrobiomforschung durch Sequenzierungstechnologie

• Metatranskriptomik

Dieser investigative Ansatz wird auf ein höheres Niveau gehoben, Metatranskriptomik geht tiefer, indem sie die RNA-Moleküle innerhalb einer Probe anvisiert. Diese Methode bietet eine Echtzeitperspektive auf die dynamischen Gene Ausdrucksprozesse der mikrobiellen Gemeinschaft und liefert somit ein komplexes Bild ihrer funktionalen Rollen in einem dynamischen Kontext. Durch eine gründliche Analyse des Transkriptoms im Kontext des Pflanzenmikrobioms können Forscher geschickt die genetischen Grundlagen verschiedener Aktivitäten wie Nährstoffkreisläufe, Abwehrmechanismen gegen Krankheitserreger und komplexe Kommunikationskanäle, die mit dem Pflanzenwirt etabliert sind, identifizieren.

Bitte lesen Sie unseren Artikel. Überblick über die Metatranskriptom-Sequenzierung: Prinzipien, Arbeitsablauf und Anwendungen.

• 16S rRNA- und ITS-Sequenzierung

An der Spitze der Mikrobiomanalyse steht die entscheidende Technik der Sequenzierung spezifischer Genregionen, die in mikrobiellen Genomen vorhanden sind, wie das 16S ribosomale RNA-Gen für bakterielle Entitäten und die interne transkribierte Spacer (ITS)-Region für pilzliche Gegenstücke. Diese Gene zeigen eine bemerkenswerte Erhaltung über Arten hinweg, während sie gleichzeitig variable Domänen beherbergen, die eine Unterscheidung zwischen verschiedenen mikrobiellen Taxa ermöglichen. Durch die Nutzung der Kraft von 16S rRNA- und ITS-SequenzierungForscher sind geschickt ausgestattet, um ein sorgfältiges taxonomisches Profil des Mikrobioms abzuleiten, wodurch sie komplexe Muster der Vielfalt und die relative Häufigkeit verschiedener mikrobielle Gruppen aufdecken.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Prinzipien und Arbeitsablauf der 16S/18S/ITS Amplicon-Sequenzierung.

• Shotgun-Metagenomik

Eine markante Verfolgung innerhalb dieses Ermittlungshorizonts ist das Paradigma von Shotgun-Metagenomik, gekennzeichnet durch eine umfassende Sequenzierung genetischen Materials innerhalb einer Probe, ohne die Einschränkung einer gen-spezifischen Zielausrichtung. Diese ganzheitliche Strategie bietet eine umfassende Darstellung des genetischen Potenzials, das in der mikrobiellen Gemeinschaft eingeschlossen ist, und ermöglicht eine eingehende Erforschung nicht nur der taxonomischen Dimensionen, sondern auch der funktionalen Fähigkeiten, die von diesen Mikroorganismen gezeigt werden. Erkenntnisse, die durch Shotgun-Metagenomik gewonnen werden, gehen über die taxonomische Identifizierung hinaus und umfassen Bereiche wie Geninhalt, Stoffwechselwege und die potenziellen Wechselwirkungen innerhalb des komplexen Mikrobioms.

Sie könnten an unserem Artikel interessiert sein. Einführung in die Shotgun-Metagenomik, von der Probenahme bis zur Datenanalyse.

Der Bibliotheksvorbereitungs- und Sequenzierungsprozess von Plattformen der nächsten Generation der Sequenzierung. (Knief et al., 2014)

• Langzeit-Sequenzierung

Das Aufkommen von Long-Read-Sequenzierungstechnologien, exemplifiziert durch Plattformen wie Pacific Biosciences (PacBio) und Oxford Nanoporehat Forschern eine unvergleichliche Fähigkeit verliehen, umfangreiche DNA-Sequenzen in einem einzigen Leseereignis zu erzeugen. Dieser technologische Fortschritt ist besonders relevant für die Zusammenstellung komplexer mikrobieller Genome und die Auflösung genomischer Unterschiede, die innerhalb von Arten auftreten. Das Potenzial von Langzeit-Sequenzierung erstreckt sich auf die Entdeckung bisher unerforschter mikrobielle Arten und Substränge, die im Pflanzenmikrobiom verborgen sind, und beleuchtet damit Dimensionen der Vielfalt, die bisher der Prüfung entzogen waren.

• Bioinformatik-Herausforderungen und -Lösungen

Im Einklang mit diesen transformativen Methoden wird deutlich, dass die Erzeugung umfangreicher Datensätze erhebliche Herausforderungen in den Bereichen stellt von Datenanalyse und Interpretation. Die entscheidende Rolle von Bioinformatik-Tools wird im Kontext der Verarbeitung, Analyse und visuellen Darstellung der komplexen Datenlandschaften, die entstehen, besonders deutlich. Forscher sind mit einer Vielzahl von Algorithmen und Datenverarbeitungs-Pipelines ausgestattet, die jeweils Aufgaben wie die taxonomische Zuordnung von Sequenzen, die Prognose funktioneller Gene und die sorgfältige Rekonstruktion mikrobieller Genome aus fragmentierten Datenquellen übernehmen. Diese dynamische Landschaft wird weiter bereichert durch die Entwicklung von maschinellen Lernparadigmen und die Zusammenführung von Datenintegrationsstrategien, die es den Forschern ermöglichen, das komplexe Geflecht von Beziehungen, das im Pflanzenmikrobiom eingebettet ist, zu entschlüsseln.

Die Rolle symbiotischer Mikroorganismen in Pflanzen

(i) Symbiotische Mikroorganismen tragen Nährstoffe zum Wirt bei.

Mikroorganismen, die symbiotisch in Pflanzenwurzeln leben, verbessern die Nährstoffaufnahme. Besonders bestimmte Bakterien, wie stickstofffixierende, ammonifizierende und nitrifizierende Typen, erleichtern den Transfer von Stickstoff aus der Umwelt zur Pflanze. Darüber hinaus unterstützen Klumpenpilze das Wachstum der Pflanze, indem sie Mineralnährstoffe durch Oxidation und Löslichkeit in eine zugängliche Form umwandeln.

(ii) Symbiotische Mikroorganismen verändern die Wachstumsmerkmale von Pflanzen.

Die Anwesenheit symbiotischer Mikroorganismen kann die physischen Eigenschaften von Pflanzen verändern. Jüngste Forschungen haben hervorgehoben, wie Bakterien, die die Wurzeln von Pflanzen besiedeln, die Morphologie der Wurzeln umgestalten können. Dies geschieht durch die Aktivierung des Ethylen-Antwortwegs, der direkt Eigenschaften wie Wurzelänge und -durchmesser sowie den Durchmesser, das Volumen und die Dichte von Seitenwurzeln beeinflusst. Arabidopsis thaliana.

(iii) Symbiotische Mikroorganismen erhöhen die Widerstandsfähigkeit des Wirts gegen Krankheitserreger.

Während Pathogenangriffen werden spezialisierte symbiotische Gemeinschaften von Wurzeln oder Blättern durch eine "Hilferuf"-Strategie rekrutiert. Diese Gemeinschaften helfen dabei, Pathogeninvasionen zu vereiteln, indem sie bakterielle Antagonismus nutzen und Immunreaktionen innerhalb der Wirtspflanze auslösen.

(iv) Pflanzen-Mikrobiom-Interaktion: Synergistische Reaktionen, die das gesamte Funktionsspektrum umfassen.

Wechselseitige Selektionsprozesse zwischen Pflanzen und ihren assoziierten Gemeinschaften führen zur Entwicklung eines integrierteren Reaktionsmechanismus auf Umweltveränderungen. Diese Synergie bildet eine kohärente "funktionale Einheit", die sich gemeinsam anpasst. Im Kontext der Sortenvielfalt ist Indica-Reis in der Lage, unterschiedliche Gemeinschaften zu mobilisieren, um die Stickstoffaufnahme zu verbessern. Darüber hinaus beeinflussen symbiotische Gemeinschaften erheblich die Entwicklung der Krankheitsresistenz von Hybridreis.

Referenzen:

1. Shelake, Rahul Mahadev, Dibyajyoti Pramanik und Jae-Yean Kim. "Erforschung der Pflanzen-Mikroben-Interaktionen für eine nachhaltige Landwirtschaft im CRISPR-Zeitalter." Mikroorganismen 7.8 (2019): 269.
2. Knief, Claudia. "Analyse der Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben im Zeitalter der Technologien der nächsten Generation der Sequenzierung." Frontiers in Plant Science 5 (2014): 216.