Steven Pilon Nederlands

Een diepgewortelde relatie.

Microbiologie in hapklare porties

Een diepgewortelde relatie.

Geschreven door:

Steven Pilon

Bij elke plantensoort hoort een unieke verzameling van micro-organismen. De microbiële gemeenschappen om de wortels verschillen een beetje aan de hand van de bodemsoort, maar blijven grotendeels hetzelfde. We weten welke organismen uiteindelijk in een intieme relatie terechtkomen, maar wie zet de eerste stap daartoe? Versiert de plant de bacteriën die het leuk vind, of zijn het de bacteriën die de plant verleiden? Katrin Wippel en Ke Tao (samen met een internationaal team van planten-experts) besloten om de eerste vonk te analyseren.

De wetenschappers onderzochten twee plantensoorten om het verschil aan te tonen in hun voorkeur van bacteriën: Arabidopsis thaliana (een neefje van kool) and Lotus japonica (een neefje van de boon). De onderzoekers bepaalden eerst welke bacteriën er van nature bij de wortels van beide plantensoorten leven met 16S-RNA sequencing. Ze vonden honderden bacteriesoorten rondom de wortels van beide plantensoorten. 

Het is lastig om met honderden soorten bacteriën te werken, dus maakten de onderzoekers een versimpeld microbioom voor beide plantensoorten: een Synthetic Community (SynCom), zie Figuur 1. 16 bacteriesoorten kozen de onderzoekers uit voor de A. thaliana, en 16 voor de L. japonica. Wippel en Tao kozen deze soorten zo, dat elke bacteriesoort in een SynCom een familielid had in de andere SynCom (familie). Op deze manier lekende SynComs van A. thaliana en L. japonica sterk op elkaar. Zou het de onderzoekers lukken om de A. thaliana voor de gek kunnen houden door het samen te laten werken met de bacteriën van de L. japonica, of vice versa?

Figuur 1: Van een grote groep wortel-bacteriën, kozen de onderzoekers een model-microbioom voor de A. thaliana(groen) en de L. japonica(rood). Deze “Synthetic Communities” waren zo gekozen dat elke bacteriesoort geassocieerd met een plant een familielid had in de andere groep. Van de 20 ontdekte bacterie-families, werden er 16 vertegenwoordigd in beide Synthetic Communities. Gemaakt met BioRender.com.

Om de planten voor de gek te houden, mixten de onderzoekers beide SynComs. Zo hadden ze in totaal 32 bacteriesoorten, maar nog steeds 16 bacterie-families. Daarna injecteerden de onderzoekers beide de A. Thaliana en de L. japonica met deze mix. Na 5 weken, waren beide planten gevonden met alleen hun eigen set van 16 bacteriesoorten op hun wortels! De planten waren de onderzoekers te slim af, iets in de interactie van de plant en bacteriën blijkt zeer specifiek te zijn. 

Voordat we verder gaan, moet ik een beetje theorie uitleggen. In microbiële gemeenschappen bepaalt de volgorde waarin de microben aankomen of ze een dominante soort zullen zijn of een leven aan de zijlijn zullen leiden (het priority effect, figuur 2, linker kant). De eerste bacteriesoort die aankomt kan profiteren van het meeste voedsel, kan de meeste ruimte opnemen en/of metabolieten produceren die de groei remmen van concurrenten. 

Figuur 2: Links: het priority effect. In een onbewoonde bodem hebben de eerste bacteriën een voordeel ten opzichte van de laatkomers onafhankelijk van de soort. Rechts: Plant-gastheren creëren voordelen voor hun specifieke bacterie partners, zo kunnen die ook als laatkomer groeien. Gemaakt met BioRender.com.     

Dit concept van priority effect is belangrijk, omdat de auteurs aantoonden dat een plant-gastheer selectief zijn bacterie-partner kan helpen om dit effect te doorstaan (Figuur 2, rechter kant). Wippel en Tao correleerden de kracht van een plant-microbe interactie met de vaardigheid van dezelfde microbe om zich te kunnen ontwikkelen in een al bestaande microbiële gemeenschap (Figuur 3). Dit laat zien dat de plant bacteriën naar zijn voorkeur kan “kweken”.

Figuur 3: De kracht van een plant-microbe interactie (‘Host preference index’, Y-as), correleert met de vaardigheid van dezelfde microbe om zich te kunnen ontwikkelen in een al bestaande microbiële gemeenschap (‘Invasiveness index’, X-as). Dit geldt voor de A. thaliana(rood) en de L. japonica(blauw). Elke stip vertegenwoordigd één bacteriesoort; een grotere stip geeft een relatief grotere overvloed aan van de soort.   

Dus wat maakt de plant in staat om zijn favoriete bacteriën te versieren? De onderzoekers bepaalden welke genen actief waren in de plantensoorten door middel van transcriptomics. Zij vonden dat gene clusters betrokken in het immuunsysteem van de plant selectief aangezet waren door partner-bacteriën. Daarnaast activeerden de bacteriën ook selectief genen die betrokken zijn bij het bepalen van een vriend of een vijand bij de wortel (met Microbe-Associated Molecular Patterns), . Natuurlijk, verklaart dit nog niet precies hoe de bacteriën deze genen activeren, maar het is wel een bron van inspiratie voor nieuwe onderzoeken. 

De interacties tussen de planten en hun bacterie-schatjes zijn dus inderdaad zeer specifiek. Planten zijn hard aan het werk om een relatie te vormen met hen. Maar welke van de twee zet de eerste stap? Daarvoor zullen we nog een date moeten observeren!

Link to the original post: Wippel, K., Tao, K., Niu, Y. et al. Host preference and invasiveness of commensal bacteria in the Lotus and Arabidopsis root microbiota. Nat Microbiol 6, 1150–1162 (2021).

Featured image: https://pickupimage.com/free-photos/Garden-beds-with-seedlings-and-leafy-greens/2332866

Vertaald door: Liang Hobma