Nästa våg av innovationer inom växtvetenskap kommer kanske inte från korsning av växter eller omprogrammering av deras gener utan genom att justera mikroberna som lever i, på och runt dem.
Ja, växter har mikrobiomer, för, och de miljarder små liftare kan hjälpa dem att växa och bekämpa invaderande patogener. Forskare försöker förstå dessa mikrobiella samhällen och anpassa dem för att hjälpa växter att bli mer motståndskraftiga mot torka, värme och infektion. När växtsjukdomar sprids på grund av globalisering och klimatförändringar, sjukdomsresistenta växter med berikade mikrobiomer kan bli avgörande för att säkerställa en stadig mattillförsel för en växande mänsklig befolkning.
"Jag tror att framtiden handlar om att utrusta växter med naturliga, produktiva mikrobiomer och bringar hela samhället i balans, säger Tomislav Cernava, en mikrobiolog vid Graz tekniska universitet i Österrike.
Växtassocierade mikrober har varit ett fruktbart forskningsområde i decennier. Växtforskare har identifierat mikrobiomer i jorden, som kan hjälpa växter att skaffa sig näringsämnen som kväve och rotrelaterade svampar som kan hjälpa växter att kommunicera med varandra. Men nyare forskning har också tittat in i frön för att lära sig mer om mikroberna som kurar där.
Cernava och hans team beskrev mikrobiomet hos risfrön i en ny tidning som publicerades i januari i Natur Växter . Hans team letade inte bara efter en mikrobiom var som helst där det kunde hitta en, men – det försökte lösa ett pussel.
Kinesiska forskare hade funnit att vissa risplantor i kustnära Zhejiang-provinsen misslyckades på grund av en infektion av en bakterie som kallas Burkholderia plantarii , medan andra var immuna. Plantorna borde ha varit identiska; de hade odlats från samma sort, eller stam, av frön och var genetiska tvillingar.
Vid närmare granskning, Cernava fann att de växter som var mottagliga för infektion hade ett annat frömikrobiom. Specifikt, de mottagliga växterna hade lägre mängder av en bakteriegrupp som kallas Sphingomonas , som höll patogena bakterier borta genom att producera en syra som stoppade inkräktarna från att tillverka tropolon, en kemikalie som hämmade risplantornas tillväxt.
Immunitet från infektionen kan överföras till mottagliga växter genom att lägga till fler Sphingomonas till deras mikrobiom eller genom att tillsätta den skyddande syran direkt till den mottagliga växten.
Det sista steget är det som piggar upp öronen hos vissa forskare:Att överföra immunitet genom att förändra mikrobiomet, speciellt i det vilda, har varit ett svårt mål att träffa. "Detta är ett av få fall där det faktiskt fungerar på fältet, säger Sheng-Yang He, en växtbiolog vid Duke University som inte var involverad i studien.
Forskare har tidigare observerat skyddande immunitet mot bakterier och isolerat de ansvariga arterna. Men när det är dags att använda bakterierna som ett ingrepp i ett mer komplicerat system med vilda bakterier och vilda växter, det fungerar ofta inte, säger han, kanske för att miljöförhållandena, eller bosatta mikrobiella samhällen, är olika.
Varje enskild art är bara en del av ett mycket större mikrobiomsamhälle, som kan påverka hur det interagerar med växter, enligt Matt Agler, en växtmikrobiomforskare vid Friedrich Schiller University Jena i Tyskland.
Att förstå hur en mikrobiell gemenskap arbetar tillsammans är avgörande för forskare och bönder som hoppas kunna utnyttja mikrobiomet, säger Agler. Även om enskilda arter kan visa sig ha speciella effekter, det finns många hot en växt kan möta, och olika mikrober kan hjälpa växter i olika scenarier. "Man vet aldrig vad som kommer den här växtsäsongen, ” tillägger Agler.
Om forskare kan hitta sätt att navigera i dessa komplexiteter, mikrobiomet kan bli fruktbar mark för ett brett utbud av ingrepp för att stärka matförsörjningen. Det kan visa sig vara avgörande. Även om människor har selektivt förädlat växter för att producera mer önskvärda egenskaper i 10, 000 år, Dagens interventioner sker oftast i laboratoriet genom genteknik som möter motstånd från ett betydande antal amerikaner. I en undersökning från Pew Research Center 2016, 39 procent av de tillfrågade trodde att GMO var värre för deras hälsa än andra livsmedel, trots att de flesta forskare är överens om att de är säkra.
Justeringar av växtmikrobiomer kan vara ett mycket mindre kontroversiellt tillvägagångssätt, säger forskare. "Glöm genteknik, säger Duke's He. "Om vi kan transplantera den typen av [mikrobiella] samhällen till växter som normalt inte har det samhället, skulle inte det vara underbart?"
Det finns redan några företag som utnyttjar mikrobernas kraft för bönder, säljer bakterier och svampar som organiska bekämpningsmedel eller frön belagda med hjälpsamma bakterier för att ge näringsämnen.
Men eftersom Sphingomonas bakterier lever faktiskt inuti risfrön, immuniteten den ger kan överföras från generation till generation av risplantor. Att förändra inre mikrobiomer kan vara mer som en engångsföreteelse, förebyggande åtgärder, snarare än ett läkemedel som ska användas konstant.
Cernava tror att hans teams arbete en dag kan bli tillgängligt kommersiellt för att skydda risgrödor, och han hoppas att naturen kan fortsätta att inspirera till nya innovationer inom jordbruket.
"Jag tror att i framtiden, " han säger, "Vi borde försöka lära av naturen."
