Fremtidens superafgrøder skal forsvare sig selv mod svampe

Hvorfor er nogle planter resistente overfor svampe, mens andre er modtagelige?

Det er et af de interessante spørgsmål, forskere ved Aarhus Universitet har forsøgt at blive klogere på i et nyt studie af plantepatogener, fortæller DCA, Nationalt Center for Fødevarer og Jordbrug,  på deres hjemmeside.

Planternes evne til at bekæmpe patogener såsom bakterier og svampe er i høj grad bestemt af plantens gener. De regulerer nemlig planternes forsvarsevne, og i et nyt studie har forskere fra Aarhus Universitet undersøgt, hvordan planter med forskellige resistensegenskaber interagerer med deres øvrige mikrober under en infektion.

Hvad sker der når planten bliver angrebet?

- Vi har undersøgt, hvad der sker i planter, når de bliver angrebet af et patogen. Hvilke ændringer sker der i selve planten samt i de tilknyttede mikrobielle samfund (dvs. mikrobiomet) under et patogenangreb? Hvorfor er nogle planter resistente, mens andre ikke er det?, spørger adjunkt Enoch Narh Kudjordjie fra Institut for Agroøkologi ved Aarhus Universitet. 

- For at besvare disse spørgsmål undersøgte vi interaktionen mellem plantens indholdsstoffer og de mikrobielle samfund, der er knyttet til planten.

- Det er ikke som sådan et nyt forskningsområde, men fordi vi anvender nye og moderne teknologier i denne undersøgelse, har vi været i stand til at få et langt mere detaljeret indblik i, hvad der rent faktisk foregår i form af interaktioner mellem plantens indholdsstoffer og mikrober, siger han.

Plantens mikrobiom er med i forsvaret

Ligesom mennesker har planter deres eget immunsystem, som spiller en stor rolle i sygdomsforebyggelse.

Planteforsvaret er nøje reguleret af sekundære metabolitter, hormoner og gavnlige mikrober i og omkring planten.

Forsvarssystemet og aktivering af det er komplekst, og vi mangler stadig at forstå i detaljer, hvordan disse komponenter spiller sammen for at hjælpe planten med at beskytte sig mod angreb. Senest har det vist sig, at også plantens mikrobiom er medvirkende til plantens forsvar.

- Vi har arbejdet med en modelplante kaldet Arabidopsis thaliana. Forskellige Arabidopsis-genotyper har forskellige niveauer af modstandsdygtighed over for Fusarium oxysporum, et svampepatogen der er kendt for at angribe flere forskellige plantearter. I dette arbejde brugte vi to Arabidopsis-genotyper; en, der er resistent, og en anden, der er modtagelig over for Fusarium oxysporum.

- Disse to genotyper blev valgt, fordi det giver os mulighed for at få et omfattende indblik i de metaboliske og mikrobielle ændringer, der understreger planternes resistens og modtagelighed under et patogenangreb, forklarer Enoch Narh Kudjordjie. 

Forsøg med to genotyper 

Til at begynde med inficerede forskerne to uger gamle Arabidopsis-genotyper, der voksede i markjord i et drivhus.

For at undersøge ændringerne i løbet af infektionsperioden indsamlede de rod- og skudprøver med 5 dages mellemrum, fra 5 og frem til 25 dage efter infektionen. De bekræftede infektionerne ved en qPCR-test og ved at se på sygdomssymptomer. 

- På denne måde var vi helt sikre på, at planterne faktisk var inficeret. qPCR-testen viste en klar forskel mellem de to genotyper, idet den resistente genotype havde et meget lavere niveau af patogenet end den modtagelige genotype, forklarer Enoch Narh Kudjordjie. 

Plantekemi og mikrobiom er unikke 

- Vi fortsatte derefter med at undersøge de forskellene i planternes indholdsstoffer og mikrobiomet i de to genotyper, og vi fandt store forskelle. Som forventet var de undersøgte plantemetabolitter forskellige i både de sunde og syge planter.

- Ligeledes fandt vi, at den mikrobielle sammensætning samt de mikrobielle samfundsnetværk var forskellige i resistente og modtagelige planter. For eksempel var gavnlige bakterier som f.eks. slægterne Pseudomonas og Rhizobium generelt beriget i rhizosfæren hos inficerede planter, hvilket tyder på en aktiv rekruttering af mikrober for at bekæmpe patogenet," forklarer Enoch Narh Kudjordjie. 

Plantegener, kemi og mikrobielle samfund er nøgleaktører 

"Ud fra et mere omfattende perspektiv har det nuværende arbejde uddybet vores forståelse af, hvordan planter forsvarer sig mod et svampepatogen ved hjælp af de øvrige mikroorganismer. Endnu vigtigere er det, at vi fandt en stærk og unik sammenhæng mellem individuelle forsvarsmetabolitter og specifikke mikrober i planterne med de forskellige resistenser.

En nærmere analyse af de gener, der er ansvarlige for plantens forsvar mod patogenet, afslørede flere mutationer i forskellige kemiske og hormonelle netværk i den modtagelige plante sammenlignet med den resistente plante. Disse resultater bekræfter, at tre underliggende værtskomponenter (gener, metabolitter og mikrobiomer) interaktivt styrer planteforsvaret, siger Enoch Narh Kudjordjie.

- Kort sagt fandt vi ud af, at de enkelte planter har et unikt sæt gener, der regulerer de metaboliske processer, der formidler sammensætningen af specifikke mikrobiomer under forskellige fysiologiske tilstande i planten, forklarer Enoch Narh Kudjordjie.

Superafgrøder forsvarer sig selv

Forestil dig en fremtid, hvor planter dyrkes med optimeret udbytte og andre agronomiske og økonomiske fordele uden brug af syntetiske kemikalier. Det vil forbedre menneskers sundhed og også fjerne miljøforurening fra landbrugskemikalier.

Indtil videre peger resultaterne fra dette studie på sådan en mulighed.

De aktelle resultater fra AU-forskerne er afgørende for den fremtidige forskningsindsats i forbindelse med udvikling af naturlige produkter til plantebeskyttelse. 

- Selv om disse resultater er spændende, er vi nødt til at udnytte vores viden og integrere den i fremtidige strategier for sygdomsbekæmpelse.

- En tilgang fra plantesiden ville være at udvikle planter med et højere niveau af defensive metabolitter, der tiltrækker visse mikroorganismer som kan bekæmpe patogener. Dette indebærer, at planteforædlere skal inddrage planters metabolitter i deres værktøjskasse.

- En anden strategi kunne være at udvikle mikrobielle inokulanter, der indeholder de gavnlige mikrober, som kan bekæmpe patogener. Vi er ret optimistiske med hensyn til at udnytte mikrobiomer i "super"-afgrøder, der er i stand til at forsvare sig selv mod patogener i fremtiden, siger Enoch Narh Kudjordjie.