Научный взгляд: новый подход к изучению фитопатогенов

Микроорганизмов на Земле больше, чем звезд в нашей галактике, ученым известна лишь малая часть из них. По мнению исследователей Пенсильванского государственного университета, метагеномика позволит узнать больше об этих неуловимых организмах.

В одном грамме листьев растений содержится до 100 миллионов бактериальных клеток, а в пространстве вокруг корней растений — до 1 триллиона бактерий, поэтому микроорганизмы имеют широкие возможности, чтобы помочь или навредить здоровью растений. Подавляющее большинство этих микроорганизмов невозможно исследовать традиционными методами.

Фитопатогены представляют угрозу для всех растений, включая продовольственные культуры, что потенциально может усугубить во всем мире проблему продовольственной безопасности. Например, только возбудители грибных болезней могут привести к потере урожая на 10–30%.

Изучая фитопатологию, ученые в первую очередь стремятся выявить микроорганизмы, вызывающие болезнь. Однако не менее важно учитывать более широкий контекст, поскольку патоген взаимодействует не только с растением, но и с его микробиомом.

Взаимодействие патогена и более широкого микробиологического сообщества может либо поддерживать способность патогена заражать растение, либо, наоборот, создавать конкуренцию, ограничивающую тяжесть болезни. Поэтому понимание микробных сообществ, присутствующих в окружающей среде хозяина, может дать ценные сведения о динамике развития болезни и потенциальных стратегиях борьбы с ней.

Обычно микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, изучают путем выделения и культивирования каждого организма по отдельности в лаборатории. Однако большинство микроорганизмов по разным причинам не могут быть изучены таким образом и остаются невидимыми и неизученными.

Метагеномика — изучение генетического материала, в частности ДНК, полученного непосредственно от каждого организма в образцах, таких как листья, почва, воздух или даже дождевая вода, и проанализированного на предмет разнообразия, структуры и функций; это способ раскрыть и понять огромное, ранее не известное присутствие микроорганизмов в окружающей среде.

Данный подход позволяет исследователям одновременно анализировать множество микроорганизмов из одного образца, что дает возможность увидеть все микробное сообщество в данной среде без необходимости культивирования каждого организма в отдельности.

В фитопатологии есть возможность использовать метагеномику в двух направлениях: экологии микроорганизмов и диагностике болезней.

Экология микроорганизмов помогает понять микробные взаимодействия и функции, связанные с болезнями, включая то, как микроорганизмы общаются и обмениваются генами, например генами, связанными с устойчивостью к антибиотикам.

С точки зрения диагностики, метагеномика позволяет оценивать разнообразие патогенов, отслеживать их и сравнивать с похожими болезнями. Она также позволяет быстро обнаружить патогены, которые трудно культивировать, предлагая мощный, беспристрастный инструмент для выявления всех потенциальных патогенов в образце.

В фитопатологии метагеномика может помочь понять причины вспышек болезней растений, такие как появление новых видов, повторное появление известных микроорганизмов, адаптацию патогенов к хозяину или изменения, влияющие на микробные сообщества растений. Метагеномика также позволяет исследовать болезни растений без предварительного знакомства с патогенами, преодолевая ограничения, связанные с некультивируемыми организмами.

Применение новейших нестандартных подходов и технологий для научных разработок позволяет решить многие вопросы, а также оптимизировать процессы. Во Всероссийском центре карантина растений Россельхознадзора (ФГБУ «ВНИИКР») при разработке методов диагностики регулируемых вредных организмов используются как традиционные, так и прорывные технологии, позволяющие диагностировать фитопатогены даже в латентной форме в максимально короткие сроки.

Источник: Veronica Roman-Reyna et al, Seeing in the dark: a metagenomic approach can illuminate the drivers of plant disease, Frontiers in Plant Science (2024). DOI: 10.3389/fpls.2024.1405042