Новости

Свет, вода и здоровая почва - три важнейших природных ресурса, необходимых для продуктивности сельского хозяйства.     Индустриализация сельского хозяйства привела к интенсификации методов выращивания сельскохозяйственных культур с использованием огромного количества химических пестицидов и удобрений, которые наносят ущерб этим природным ресурсам. Поэтому для удовлетворения растущего спроса на продовольствие в мире необходимо внедрять такие методы ведения сельского хозяйства, которые не зависят от более широкого использования удобрений и воды. В растениях и почве обитают миллионы микроорганизмов, которые в совокупности образуют микробное сообщество, известное как микробиом. Эффективный микробиом может предложить преимущества, включая стимулирование роста растений, эффективность использования питательных веществ и борьбу с вредителями и фитопатогенами. Поэтому существует настоятельная необходимость использования функционального потенциала микробиома, связанного с растениями, и его внедрения в растениеводство.    Кроме того, новые научные методики, позволяющие отслеживать прохождение питательных веществ через растение, его резидентный микробиом и окружающую почву, откроют новые возможности для разработки более эффективных микробных консорциумов. В настоящее время все больше признается, что разнообразие микробного инокулята так же важно, как и его способность стимулировать рост растений. Неудивительно, что результаты таких исследований микробиома растений и почвы привели к смене парадигмы с отдельных, специфических почвенных микробов на более целостный микробиомный подход для повышения продуктивности культур и восстановления здоровья почвы. В данном обзоре мы рассмотрели эту смену парадигмы и обсудили различные аспекты доброкачественных подходов на основе микробиома для устойчивого сельского хозяйства.    С начала 1800-х годов Министерство сельского хозяйства США рекомендовало использовать определенные ризобактерии для улучшения азотного плодородия бобовых культур (Schneider, 1892). С тех пор было проведено множество исследований, посвященных взаимоотношениям между бобовыми культурами и этими бактериями, которые теперь называются ризобиями и обитают в уникальных структурах - узелках, образующихся на корнях. Ризобии, заражающие эти узелки, способны к "биологической фиксации азота", при которой ди-азот фиксируется в формы, которые могут быть использованы растением. Симбиотически бактерии обменивают эти азотистые соединения с растением-хозяином в обмен на фотосинтетически полученный углерод.    Многое еще предстоит узнать о функциональном и таксономическом разнообразии этих симбиотических бактерий и их растений-хозяев, о роли, которую они играют в глобальном азотном цикле, и, в конечном счете, о том, как их лучше использовать для повышения продуктивности растений. Это особенно актуально для маргинальных земель, которые не подходят для выращивания традиционных культур, но должны быть включены в глобальные подходы к производству продовольствия и кормов в будущем. Кроме того, такие деградированные земли должны быть регенерированы с целью восстановления здоровья и продуктивности почвы. Любое успешное начинание в этом отношении должно включать характеристику почвенного микробиома, как таксономическую, так и функциональную.    В настоящее время предпринимаются попытки фиксации азота в таких не бобовых культурах, как пшеница, кукуруза и другие основные культуры, которые производят основную часть продуктов питания человека, путем создания симбиотических отношений с использованием подходов синтетической биологии (Rogers and Oldroyd, 2014; Ryu et al., 2020). Такие подходы существенно повлияют на глобальные поставки продовольствия и могут функционировать адекватно для сокращения пахотных земель, необходимых для достижения целей производительности.    Микробы, стимулирующие рост растений, играют важную и разнообразную роль не только в стимулировании роста как такового, но и в улучшении различных аспектов устойчивости растений к широкому спектру биотических и абиотических стрессов. В этом контексте исследователи во всем мире в течение последних нескольких десятилетий работали над изучением микроорганизмов, способствующих росту растений, таких как корне-ассоциированные микоризные грибы, в широком диапазоне культур и в широком диапазоне агроклиматических условий. Для сравнения, Brundrett и Tedersoo (2018) недавно провели обзор 135 лет исследований микоризы и сообщили, что только 8% сосудистых растений не являются микоризными, что говорит о том, что семейства растений, связанные с микоризой, были очень успешными на протяжении эволюции растительного царства.    Традиционно сельскохозяйственное применение полезных микроорганизмов включает несколько типов хорошо изученных микробов, таких как микоризные грибы или ризобийные бактерии, в отношении которых хорошо изучены механизмы, лежащие в основе эффектов стимулирования роста растений. Кроме того, большинство этих исследований сосредоточено исключительно на способности применяемых микроорганизмов способствовать таким специфическим признакам, стимулирующим рост растений, как солюбилизация фосфатов, фиксация азота, производство АСС-деаминазы (Sarkar et al., 2018), производство сидерофоров, образование биопленки, производство растительных гормонов, устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам или резистентность (Weyens et al., 2009; Bhattacharyya and Jha, 2012; Singh et al., 2019).    Хотя эти полезные микроорганизмы могут оказывать значительное влияние на рост и жизнеспособность растений, они обычно документируются в простых, индивидуальных исследованиях, часто проводимых в стерильных почвах в тепличных условиях. Как следствие, эффекты, обнаруженные в таких упрощенных условиях, часто не переносятся на более сложные полевые ситуации. Почва на полевых участках имеет более сложную микробную среду, которая, предположительно, адаптирована к местной экологической среде.    В последние годы секвенирование нового поколения революционизировало наше понимание состава и функций микробных сообществ и вместе с усовершенствованными методологиями культивирования значительно облегчило использование биологических препаратов в полевых условиях. В частности, подходы на основе метагеномики позволили обнаружить обширные, ранее не известные популяции микробов, которые могут обладать новыми или улучшенными свойствами, которые можно использовать в сельском хозяйстве, биоремедиации и для здоровья человека. Например, сравнительный анализ метагеномов ризосферы устойчивых и восприимчивых томатных сортов позволил выявить и собрать геном флавобактерий, который был гораздо более многочисленным в микробиоме ризосферы устойчивых растений, чем в микробиоме восприимчивых растений.    Такие результаты, безусловно, показывают роль местной микробиоты в защите растений от фитопатогенов и открывают путь к разработке пробиотиков для лечения болезней растений по аналогии со здоровьем человека (Kwak et al., 2018). В другом исследовании анализ ампликонного секвенирования гена 16S рРНК корневого микробиома кукурузы позволил выявить бактерии, способствующие росту в условиях низкой температуры (Beirinckx et al., 2020). Кроме того, принципы конструирования консорциумов, основанные на перекрестном обмене информацией, перекрестном питании и/или субстратном взаимодействии между различными микроорганизмами, открывают новые возможности для "интеллектуального" конструирования консорциумов (Calvo et al., 2014; Vorholt et al., 2017; Paredes et al., 2018).  Мы предполагаем, что манипуляции с микробиомом растений обладают огромным потенциалом для улучшения сельского хозяйства. Благодаря исследованиям последних лет стало ясно, как микроорганизмы работали в природе раньше, и как десятилетия использования химических удобрений подавили их способность улучшать жизнеспособность растений и здоровье почвы.     Поэтому создание микробного консорциума, который тщательно взвешивает и оценивает взаимосвязь между инокулянтами и микробиомом почвы, значительно улучшит потенциал стимулирования роста растений и устойчивость сельскохозяйственных биологических препаратов для ускорения роста растений. В этом обзоре мы обсуждаем ключевые соображения, которые повысят вероятность того, что микробные продукты повысят урожайность, снизят тяжесть заболеваний и/или смягчат реакцию на абиотический стресс. Кроме того, вполне вероятно, что такие соображения позволят уменьшить несоответствие между показателями полезных микробов, полученных в контролируемых тепличных условиях и более естественной среде.    Микроорганизмы, обитающие в почве, являются важнейшими компонентами здоровья почвы, которое само по себе определяет продуктивность растений и их устойчивость к стрессам. Использование микроорганизмов для повышения продуктивности сельского хозяйства - чрезвычайно привлекательный подход, который не является трансгенным и может рассматриваться как коллективный расширенный геном растения. Поскольку эти же микробы могут способствовать восстановлению здоровья и продуктивности почвы, они имеют большое будущее в малоинтенсивном, устойчивом сельском хозяйстве, которое выходит за рамки классических симбиозов растений и микроорганизмов.

Предполагается, что кровь и ткани стерильны, а микроорганизмы там встречаются только в случаях сепсиса и бактериальных инфекций.    Однако последние исследования показали наличие живых бактерий в крови и тканях, которые могут играть определенную роль в патогенезе заболевания. Так, группа Пура обнаружила специфические для рака микробные сиквенсы в тканях и крови при различных типах рака у людей (Poore et al., 2020). Кроме того, в другом исследовании под руководством группы Неймана было обнаружено, что в семи типах рака был выявлен различный состав микробиома и что бактерии локализовались как в опухолях, так и в иммунных клетках (Nejman et al., 2020). Микроорганизмы или микробные компоненты были обнаружены в крови у людей с хроническими воспалительными заболеваниями (Potgieter et al., 2015; Lelouvier et al., 2016; Luo et al., 2019).    Используя секвенирование бактериальной 16S рРНК, группа Массье показала наличие бактерий в образцах крови и жировой ткани, которые были сопряжены с повышенным воспалением тканей при ожирении и диабете 2 типа (Massier et al., 2020). Более того, было показано, что транслоцированные микробные продукты вызывают иммунные нарушения и могут способствовать иммунопатогенезу некоторых заболеваний, таких как аутоиммунные заболевания и заболевания центральной нервной системы. Наше недавнее исследование показало, что транслокация стафилококка способствует активации В-клеток герминального центра и выработке аутоантител у мышей и ВИЧ+ индивидуумов (Luo et al., 2019). Все эти исследования показали, что микробиом плазмы или тканей может вносить вклад в иммунные нарушения и патогенез заболеваний.    Однако исследование микробиома плазмы или тканей является весьма сложной задачей из-за крайне низкого уровня бактериальной биомассы в крови или тканях в физиологических условиях, что приводит к высокому риску контаминации во время процедур выделения, амплификации и секвенирования внеклеточной ДНК микроорганизмов плазмы (cfDNA). При использовании полногеномного и транскриптомного секвенирования до 92,3% данных о сиквенсах микробиома плазмы отбрасывалось после строгой деконтаминации для обеспечения достоверности результатов (Poore et al., 2020). Поэтому удаление фона и артефактов из данных секвенирования имеет решающее значение для получения точных результатов анализа микробиома плазмы.    В этом исследовании мы применили стратегию фильтрации качества в отношении микробиома плазмы, чтобы эффективно исключить варианты сиквенсов ампликонов (ASVs) контаминации и артефактов. После строгого контроля контаминации во время выделения микробной ДНК из плазмы, мы обнаружили, что более 97% данных секвенирования 16S ДНК микроорганизмов плазмы являются результатом низкого обилия и низкой распространенности микробных сиквенсов, контаминации и артефактов, которые были удалены с помощью строгих аналитических методов фильтрации качества.     Мы провели анализ микробиома плазмы крови у табакокурильщиков в качестве примера. Курение связано с изменением микробиоты полости рта и заболеваниями пародонта, что может способствовать транслокации некоторых видов микробиоты полости рта в кровь. В соответствии с результатами предыдущего исследования (Wu et al., 2016), мы обнаружили обогащение Streptococcus в микробиоте слюны курильщиков по сравнению с некурящими. Важно отметить, что стрептококки также были обнаружены в микробиоме плазмы крови курильщиков по сравнению с некурящими. Хотя многие другие таксоны были обогащены в слюне курильщиков, они не были обогащены в парных образцах плазмы, что позволяет предположить, что стрептококки могут обладать более высокой способностью к миграции из слизистой оболочки полости рта, связанной с курением, в кровоток. Было установлено, что стрептококки в крови играют роль в развитии атеросклероза и сердечно-сосудистых заболеваний (Dos Reis et al., 1982; Brown et al., 2014; Jackson et al., 2016).    Мы также проанализировали микробиом плазмы при ВИЧ и системной красной волчанке (СКВ), а также связь между микробиомом плазмы и патогенезом заболеваний. После внедрения наших рекомендаций по фильтрации для удаления потенциальных загрязнителей и ASV с низкой численностью, мы отметили значительные различия в β-разнообразии и составе микробиома плазмы между ВИЧ+ людьми и здоровым контролем. Большинство таксонов, обогащенных у ВИЧ+ лиц в этом исследовании, являются хорошо известными патогенными бактериями. Arthrobacter spp. и M. timonae были ранее выделены из крови, спинномозговой жидкости и костей клинических пациентов с инфекционными заболеваниями или заболеваниями внутренних органов (Lindquist et al., 2003; Mages et al., 2008).    H. parainfluenzae является оппортунистическим патогеном и мы обнаружили, что обработка in vitro обогащенными ВИЧ термоинактивированными M. timonae и H. parainfluenzae вызывала сильные воспалительные реакции в моноцитах человека. СКВ является системным аутоиммунным заболеванием, и аутоантитела играют ключевую роль в патогенезе болезни. Однако этиология и механизмы выработки аутоантител при СКВ до конца не изучены. Постоянная иммунная активация, вызванная транслокацией микробных компонентов из желудочно-кишечного тракта или других участков слизистой оболочки в циркуляцию, считается одним из предрасполагающих факторов при СКВ. В данном исследовании мы обнаружили, что некоторые СКВ-обогащенные таксоны имели прямую корреляцию с уровнем аутоантител в плазме крови. Функциональная оценка этих СКВ-обогащенных таксонов при волчанке заслуживает дальнейшего изучения.    Таким образом, мы предлагаем стратегию фильтрации потенциальных контаминантов и фона для анализа микробиома плазмы, что обеспечивает перспективный метод изучения транслоцированных бактерий или бактерий в тканях при различных заболеваниях и их роли в модуляции системных иммунных ответов и патогенезе заболеваний.