Attività stagionali del microbioma della fillosfera delle colture perenni

Dec 29, 2023

Nature Communications volume 14, numero articolo: 1039 (2023) Citare questo articolo

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Comprendere le interazioni tra piante e microrganismi può aiutare la gestione del microbioma a migliorare la produttività delle colture e la resilienza allo stress. Qui, applichiamo un approccio incentrato sul genoma per identificare i membri del microbioma fogliare ecologicamente importanti su appezzamenti replicati di panico verga e miscanto coltivati ​​in campo e per quantificare le loro attività in due stagioni di crescita per il panico verga. Utilizziamo il sequenziamento del metagenoma e del metatrascrittoma e curiamo 40 genomi assemblati con metagenoma (MAG) di media e alta qualità. Troviamo che le classi rappresentate da questi MAG (Actinomycetia, Alpha- e Gamma-Proteobacteria e Bacteroidota) sono attive nella tarda stagione e sovraregolano le trascrizioni per deidrogenasi a catena corta, molibdopterina ossidoreduttasi e polichetide ciclasi. I percorsi associati allo stress sono espressi per la maggior parte dei MAG, suggerendo un coinvolgimento con l'ambiente ospitante. Rileviamo anche percorsi biosintetici attivati ​​stagionalmente per i terpeni e vari percorsi peptidici non ribosomiali che sono scarsamente annotati. I nostri risultati supportano il fatto che le popolazioni batteriche associate alle foglie sono stagionalmente dinamiche e reattive ai segnali dell’ospite.

Le piante perenni rappresentano un obiettivo cruciale per lo sviluppo sostenibile dei biocarburanti1,2,3. Oltre a produrre un’elevata biomassa che può essere convertita in biocarburanti e bioprodotti, le colture perenni offrono un’ampia gamma di servizi ecosistemici che supportano gli sforzi per mediare il cambiamento climatico, compresa la mitigazione dei gas serra e la promozione del ciclo dei nutrienti del suolo1,4,5,6. Come tutte le piante, le piante perenni ospitano microbioti diversificati e si sa che molti di questi microbi apportano benefici ai loro ospiti. Ad esempio, i microbi associati alle piante possono aumentare la produttività e proteggere dai fattori di stress ambientale. A causa dell’intimo legame di molti membri del microbioma associato alla pianta con l’ospite, la gestione del microbioma vegetale è uno strumento proposto per promuovere il vigore delle colture e supportare la resilienza delle colture ai cambiamenti climatici globali7,8,9,10. Pertanto, insieme alla selezione selettiva e alla gestione del campo basata sui dati, si prevede che la regolazione del microbioma vegetale sia strategica per la produzione sostenibile di materie prime per biocarburanti.

Le piante hanno compartimenti anatomici abitati ciascuno da consorzi microbici distintivi. Generalmente, la diversità e la composizione del microbioma vegetale si restringono dai compartimenti esterni a quelli interni e la pianta svolge un ruolo attivo nel filtrare la composizione del microbioma verso l'interno11,12,13. I compartimenti vegetali esterni comprendono la zona radicale, la rizosfera e il rizopiano sotto terra e la fillosfera epifita sopra il suolo14. I compartimenti esterni hanno una rappresentazione relativamente più elevata di taxa microbici transitori o commensali e questi compartimenti interagiscono e reclutano microbi dall'ambiente immediato. I compartimenti interni comprendono l'endosfera dei tessuti sopra e sotto terra, e questi hanno una ricchezza relativamente bassa e ospitano il microbiota più selezionato15,16. Di questi compartimenti, la rizosfera ha ricevuto la massima attenzione come sito critico di interazioni microbiota-pianta che sono importanti per l'acquisizione di nutrienti e acqua (ad esempio, Kuzyakov e Razavi17). Tuttavia, i membri del microbiota che popolano la fillosfera svolgono anche importanti funzioni vegetali, come l’esclusione degli agenti patogeni e il priming immunitario18,19. I microrganismi della fillosfera hanno adattamenti specializzati al loro stile di vita esposto16,20,21,22 e contribuiscono al carbonio globale e ad altri cicli biogeochimici, comprese le trasformazioni rilevanti per il cambiamento climatico23,24,25, e abitano la più grande area fuori terra26. Poiché le materie prime per biocarburanti perenni vengono spesso selezionate per massimizzare la superficie fogliare, si prevede che la comprensione del microbioma della fillosfera fornisca informazioni sugli impegni microbici a beneficio della pianta per supportare la produttività e la resilienza allo stress.