Рослини можуть контролювати власні мікробіоми

Листя рослини може здатися скромним, але під його глянцевою поверхнею ховається дивовижне відкриття: воно вкрите різноманітним набором молекул РНК (рибонуклеїнової кислоти). Це відкриття може змінити наше розуміння біології рослин і взаємодії між рослинами та навколишнім середовищем. Дослідження очолювали Лусія Борньєго та Міну Сінгла-Растогі, докторанти з Університету Індіани в Блумінгтоні, а також Роджер Іннес, професор біології. Дослідження пропонує новий погляд на складні відносини між рослинами та мікробами.

«Що нас найбільше хвилює в цьому відкритті, так це те, що воно вказує на те, що рослини можуть контролювати свої мікробіоми, частково шляхом регулювання експресії генів у мікробів за допомогою міжкоролівської РНК-інтерференції, також відомої як RNAi», — сказав Іннес.

Але що це означає і чому це важливо?

Революційне відкриття: РНК рослин на поверхні листя

РНК, тендітна молекула, зазвичай швидко розкладається поза клітиною, якщо її не захистити. Однак це дослідження показує, що рослини виділяють життєздатну РНК на поверхню листя, де вона залишається напрочуд стабільною. Це відкриття свідчить про те, що отримана з рослин РНК може безпосередньо впливати на мікробні спільноти на поверхні листя, беручи участь у крос-царстві RNAi – процесі, за допомогою якого РНК з одного організму впливає на експресію генів в іншому.

Міжкоролівська RNAi не нова в біології. Вчені знають, що організми можуть обмінюватися РНК для регулювання генів. Тут примітна ідея, що рослини можуть використовувати цей механізм для взаємодії з мікробами, які колонізують їхні поверхні.

«Тільки нещодавно було показано, що РНК, вироблені одним організмом, можуть бути поглинені іншим організмом, а потім утворювати пару основ з РНК в організмі-реципієнті», — пояснив Іннес. Здається, РНК-інтерференція має місце практично у всіх живих організмах.

Роль РНК і полісахаридів у рослинах

Дослідницька група виявила велику кількість РНК на поверхні листя  Arabidopsis thaliana, модельної рослини, яка широко використовується в наукових дослідженнях. Ці РНК були стабільними, ймовірно, через те, що вони утворювали конденсати з полісахаридами, такими як пектин. Будучи компонентом клітинної стінки рослин, пектин відіграє захисну роль, забезпечуючи збереження молекул РНК поза рослинними клітинами. Наслідки глибокі. Стабільна РНК на поверхні листя означає, що мікроби, які колонізують ці ділянки, піддаються впливу рослинної РНК. Цей вплив може вплинути на експресію мікробних генів, потенційно визначаючи, які мікробні види можуть процвітати на поверхні листя. Ця здатність «лікувати» мікробні спільноти може вплинути на здоров’я рослин, стійкість до хвороб і загальний ріст.

Чому це має значення? Більша картина

Наслідки цього дослідження виходять далеко за межі рослин.

«Маніпуляції мікробними спільнотами за допомогою екологічної РНК, ймовірно, також відбуваються в наших власних кишках, причому РНК виділяється нашими кишковими епітеліальними клітинами», — зазначив Іннес.

Це означає, що розуміння взаємодії рослин і мікробів може пролити світло на подібні процеси в людей та інших тварин. На цьому зв’язок не закінчується. Подумайте про салат, який ви їли на обід. РНК на поверхні цієї листової зелені може взаємодіяти з мікробіомом вашого кишківника, впливаючи на його склад і, потенційно, на ваше здоров’я. Хоча ця гіпотеза вимагає подальших досліджень, вона відкриває захоплюючі можливості щодо того, як наші дієти можуть безпосередньо впливати на наші мікробні екосистеми.

Можливе застосування в сільському господарстві та медицині

Це відкриття — не просто наукова цікавість; він може мати реальні програми. Якщо рослини зможуть використовувати РНК для впливу на мікробні спільноти, фермери одного разу зможуть використати цю здатність для покращення здоров’я врожаю. Наприклад, рослини можуть бути створені за допомогою генної інженерії для виділення специфічних РНК, які перешкоджають шкідливим мікробам або сприяють виникненню корисних. У медицині розуміння того, як РНК впливає на мікробні екосистеми, може призвести до нових методів лікування. Уявіть собі використання лікування на основі РНК для модуляції кишкового мікробіому у пацієнтів із розладами травлення або метаболічними захворюваннями. Хоча ці програми є спекулятивними, основа, закладена цим дослідженням, дає дорожню карту для можливих майбутніх досліджень.

Вимагайте подальших досліджень рослинної РНК

Хоча це дослідження дає цінну інформацію, воно також піднімає нові запитання. Як специфічні РНК впливають на експресію мікробних генів? Чи є мікроби, які більш сприйнятливі до РНК-інтерференції? І які фактори навколишнього середовища впливають на стабільність РНК на поверхні рослин ? Крім того, потенційна взаємодія між РНК рослин і мікробіомом людини заслуговує на більш детальне вивчення. Чи може споживання рослин, покритих РНК, мати вимірний вплив на здоров’я людини? Майбутні дослідження потребуватимуть вирішення цих питань, щоб розкрити повний потенціал цих знахідок.

Вікно у складність природи

Це відкриття нагадує нам про складну природу. Від стабільності РНК на поверхнях рослин до її потенціалу формувати мікробні спільноти, дослідження дозволяє зазирнути у складність прихованих генетичних механізмів. Дослідження також підкреслює взаємозв’язок життя на Землі – як рослини, мікроби та навіть люди пов’язані молекулярними взаємодіями, які виходять за межі видів.

«Цілком можливо, що РНК на поверхні листя, як-от салат, може впливати на мікробіоми нашого кишківника», — сказав Іннес.

Ця ідея спонукає нас переосмислити наші стосунки з рослинами не лише як з джерелами їжі чи кисню, а як з активними учасниками динамічної, взаємопов’язаної біосфери. Дослідження було спільним зусиллям. Окрім команди Університету Індіани, серед співавторів були Патрісія Болдріч і Блейк С. Мейерс з Університету Каліфорнії в Девісі та Медісон МакГрегор з Наукового центру рослинництва Дональда Данфорта. Міждисциплінарний характер цього дослідження робить його ще більш примітним. Поєднавши біологію, хімію та молекулярну генетику, команда виявила рівень взаємодії рослин і мікробів, який досі залишався прихованим. Дослідження опубліковано в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.