Groentjes groeien slechter zonder bacteriën

Als de menselijke darm gekoloniseerd wordt door een abnormale verzameling van bacteriesoorten, kun je een inflammatoire darmziekte krijgen, zoals de ziekte van Crohn. Mijn laboratorium ontdekte onlangs dat planten, net als mensen, een gelijkaardige aandoening kunnen ontwikkelen. Die ziekte heet dysbiose en heeft ernstige gevolgen.

Als onderdeel van de studie ontdekten mijn collega's en ik dat sommige genen en processen die betrokken zijn bij het beheersen van dysbiose bij planten vergelijkbaar kunnen zijn met die bij mensen. De ontdekking van dysbiose in het plantenrijk opent mogelijkheden voor vernieuwingen op het gebied van plantgezondheid en wereldwijde voedselzekerheid.

Ik ben een plantenmicrobioloog, geïnteresseerd in hoe planten en microben met elkaar omgaan. Hoewel ons vroeger onderzoek zich vooral concentreerde op de moleculaire details van pathogene infecties, begeeft mijn onderzoeksgroep zich intussen in de fascinerende wereld van het plantenmicrobioom.

Hebben planten microbiomen?

Wanneer wetenschappers de balans van bacteriën in de menselijke darmen willen onderzoeken, kijken ze naar het genetisch materiaal van alle microben die in het menselijke spijsverteringssysteem leven; het zogenoemde darmmicrobioom. Ook planten hebben een microbioom. In feite vormen de delen van de plant die bovengronds groeien, de ‘fyllosfeer’, en de delen die eronder groeien, de ‘rhizosfeer’, twee van de grootste habitats voor microben op aarde. Beide zijn ook essentieel voor het menselijk leven op onze planeet.

De fyllosfeer neemt koolstofdioxide op voor fotosynthese, wat de plant nodig heeft om te groeien. Dat plantaardig materiaal vormt voor ons een primaire bron van voedsel, brandstoffen, vezels en medicijnen. Fotosynthese maakt ook zuurstof vrij voor dieren en mensen om te ademen. Daarom worden planten vaak beschouwd als de longen van onze planeet. De rhizosfeer neemt dan weer water en voedingsstoffen uit de bodem op.

Talrijke studies hebben aangetoond dat microben planten helpen voedingsstoffen uit de bodem te halen en om te gaan met droogte, ziekteverwekkers, insecten en andere stress. Ecologische studies hebben ook ontdekt dat hoe groter de diversiteit aan microben die op de bladeren van planten leven, hoe productiever de planten lijken te zijn. Tegenwoordig zijn de meeste plantenwetenschappers van mening dat wereldwijde strategieën om de productiviteit van gewassen en voedselzekerheid te waarborgen, rekening moeten houden met het microbioom van planten. De Voedsel- en Landbouworganisatie van de Verenigde Naties (FAO) schat dat jaarlijks tot 40% van de voedselgewassen verloren gaat door plagen en -ziekten, en de Algemene Vergadering van de Verenigde Naties heeft 2020 uitgeroepen tot Internationaal Jaar van de plantgezondheid.

Hoe houden planten de microbiota gezond?

Gezien het belang van die specifieke bacteriegemeenschap voor de gezondheid van planten, redeneerden we dat planten een ingewikkeld genetisch netwerk moeten hebben ontwikkeld om de juiste mix van microben te selecteren. Als dat waar is, dan kunnen we, door het DNA van de plant te kennen, in de toekomst de oogst misschien opkrikken door de microbenmix van een gewas te optimaliseren. Mijn onderzoeksgroep heeft nu inderdaad enkele van deze "microben-controlerende" genen geïdentificeerd in de zandraket (Arabidopsis thaliana), een plant die vaak als modelsoort dient tijdens wetenschappelijk onderzoek.

We ontdekten dat verschillende genen die betrokken zijn bij de immuniteit van planten en de waterbalans cruciaal zijn voor het selecteren en behouden van gezonde microbiota in de bladeren van de zandraket. Toen we deze genen uit planten verwijderden, konden die 'mutanten' niet de juiste mix van microben herbergen en vertoonden ze symptomen van dysbiose, zoals dode of vergelende bladeren. Voor zover we weten, was dit de eerste keer dat de negatieve effecten van dysbiose bewezen worden voor een plantensoort.

Zieke planten

Mijn collega's en ik hebben enkele opmerkelijke kenmerken van dysbiose waargenomen in onze gemuteerde Arabidopsis-planten. Ten eerste hebben dysbiose-mutanten de neiging om een abnormaal hoog niveau van microben in de bladeren te hebben. Ten tweede is er een drastische verandering in de diversiteit van microben. In normale bladeren van de zandraket leven bijvoorbeeld allerlei bacteriën in het blad. Daarentegen is de algehele diversiteit van bacteriën sterk verminderd in de dysbiotische mutanten, wat suggereert dat gezonde planten de microbiële diversiteit bevorderen, vermoedelijk om de voordelen voor de gezondheid van planten te vergroten.

Ten derde, terwijl bacteriën die tot de stam van de ‘Fermicutes’ behoren overvloedig aanwezig zijn in normale Arabidopsis-bladeren, is hun aantal beduidend lager in onze genetische mutanten. Bovendien zagen we een dramatische toename van het aantal schadelijke bacteriën in de dysbiose-mutante bladeren. Sommige van deze veranderingen worden ook waargenomen bij menselijke patiënten met inflammatoire darmaandoeningen. Er zijn dus parallellen tussen de ontwikkeling van dysbiose bij mensen en het proces bij planten.

What's next?

We zijn enthousiast over onze identificatie van verschillende plantengenen en processen die betrokken zijn bij het voorkomen van dysbiose. De microben-controlerende genen die we in Arabidopsis hebben geïdentificeerd, worden aangetroffen in de genen van veel andere planten, wat suggereert dat onze bevindingen wellicht breed toepasbaar zijn.

In de toekomst kunnen we experimenteren met veranderingen in deze genen, om nog meer te leren over hoe we de gezondheid van planten kunnen verbeteren. Technologieën om DNA te wijzigen, kunnen ook worden gebruikt om een gezond microbioom in plantenbladeren te creëren door de werking van specifieke genen te versterken. Een synthetisch gezond microbioom kan worden geformuleerd als een medicament om dysbiose bij planten te voorkomen, net zoals probiotica belooft om de gezondheid van het menselijke darmmicrobioom te verbeteren.

Mutaties in genen die verband houden met het immuunsysteem, zijn ook bij mensen een bekende risicofactor voor de ontwikkeling van inflammatoire darmaandoeningen. Misschien zal toekomstig onderzoek meer gedeelde kenmerken vinden in hoe planten en mensen omgaan met hun microben om ziekten te voorkomen.

Dit artikel is een vertaling van The Conversation. De auteur is Sheng-Yang He (Michigan State University).