Rintracciare il potere del microbioma

Nelle foglie e nelle radici delle piante vivono centinaia di specie diverse di batteri, che il team di ricerca guidato da Julia Vorholt dell'Istituto di microbiologia dell'ETH di Zurigo, in collaborazione con colleghi tedeschi, ha inventariato e catalogato per la prima volta sei anni fa. A quel tempo, hanno anche isolato 224 ceppi dei diversi gruppi di batteri che formano le comunità sulle foglie del crescione (Arabidopsis thaliana). Questi possono essere combinati per formare microbiomi vegetali semplificati, i cosiddetti microbiomi sintetici. I ricercatori hanno così posto le basi per i due nuovi studi appena pubblicati sulle riviste "Nature Plants" e "Nature Microbiology".

Controllo del volume della risposta della pianta

Nel primo studio, i ricercatori erano interessati al modo in cui le piante reagiscono alla colonizzazione da parte dei microrganismi. Il team di Vorholt ha gocciolato colture batteriche sulle foglie di piante che i ricercatori avevano coltivato in condizioni sterili fino a quel momento. Come previsto, i diversi tipi di batteri hanno innescato risposte diverse nelle piante. Mentre i singoli rappresentanti dei proteobatteri gamma, ad esempio, hanno fatto sì che il crescione modificasse l'attività di oltre 3000 geni diversi in totale, le piante hanno reagito ai rappresentanti dei proteobatteri alfa con una media di soli 88 geni attivati in più.

"Nonostante questa grande diversità con cui la pianta reagisce ai diversi batteri del microbioma, abbiamo sorprendentemente trovato una risposta centrale della pianta: Un nucleo di 24 geni è praticamente sempre attivato", afferma Vorholt. Inoltre, come una sorta di regolatore di volume per la risposta della pianta, l'intensità dell'attivazione di questi 24 geni fornisce informazioni sul grado di colonizzazione della pianta da parte dei batteri. E il regolatore di volume prevede anche quanti altri geni la pianta attiverà nel corso dell'adattamento a questa colonizzazione.

Le piante con difetti in alcuni di questi 24 geni sono più sensibili ai batteri nocivi, come ha dimostrato il team di Vorholt. E poiché alcuni geni del core set avevano già attirato l'attenzione in altri studi in relazione alla reazione delle piante allo stress osmotico o agli attacchi fungini, i ricercatori dell'ETH interpretano i 24 geni come una risposta di difesa generale. "Sembra un addestramento immunitario, anche se i batteri che abbiamo utilizzato non sono patogeni ma partner di comunità naturali", afferma Vorholt.

Comunità batterica fuori equilibrio

Nel secondo studio, Vorholt e il suo team hanno analizzato come cambiano le comunità batteriche quando la pianta perde uno o più geni a causa di mutazioni. Era prevedibile che i difetti genetici nei recettori utilizzati dalle cellule vegetali per rilevare la presenza di microbi avrebbero giocato un ruolo importante in questa storia.

Sorprendentemente, però, un altro difetto genetico ha avuto l'effetto maggiore: se le piante mancavano di un determinato enzima, la cosiddetta NADPH ossidasi, la comunità batterica veniva sbilanciata. Le piante utilizzano questo enzima per produrre radicali di ossigeno altamente reattivi, che hanno un effetto antimicrobico. Senza NADPH ossidasi, i microbi che vivevano pacificamente sulle foglie in circostanze normali si sono trasformati in patogeni (cosiddetti opportunisti).

La NADPH ossidasi fa parte del nucleo di 24 geni della risposta di difesa generale? "Purtroppo no, sarebbe stato troppo bello", dice ridendo Sebastian Pfeilmeier, collaboratore del gruppo di ricerca di Vorholt e primo autore dello studio. Ciò è dovuto anche al fatto che il gene della NADPH ossidasi è già acceso prima del contatto con i microbi e che l'enzima viene attivato da cambiamenti chimici (le cosiddette fosforilazioni).

Per Vorholt, i due studi dimostrano che i microbiomi sintetici sono un approccio promettente per indagare le complesse interazioni nelle biocenosi. "Poiché possiamo assemblare le comunità in modo controllato e mirato, possiamo andare oltre l'osservazione - e possiamo non solo determinare le cause e gli effetti, ma anche comprenderli a livello molecolare", dice Vorholt. Un microbioma ottimizzato protegge le piante dalle malattie e le rende più resistenti alla siccità e al sale. Per questo motivo, anche l'industria agricola è interessata ai risultati ottenuti. Dovrebbero aiutare a sfruttare la potenza del microbioma per l'agricoltura del futuro.