DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1349401
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38571718
تاريخ النشر: 2024-03-20
المؤلف: Lorenzo Sena وآخرون
الموضوع الرئيسي: الفطريات الجذرية وتفاعلات النباتات
نظرة عامة
تناقش ورقة البحث التهديد الكبير الذي يشكله تغير المناخ على الأمن الغذائي العالمي، بشكل أساسي من خلال تقليل غلة المحاصيل بسبب الضغوط غير الحيوية وانتشار مسببات الأمراض والآفات. تؤكد على إمكانية ممارسات إدارة المحاصيل المستدامة، وخاصة من خلال استخدام الكائنات الدقيقة الداخلية، مثل الفطريات الميكوريزية الجذرية (AMF) ومجموعة متنوعة من البكتيريا والفطريات الداخلية، للتخفيف من هذه التحديات. يمكن أن تعزز هذه الكائنات الدقيقة من مرونة المحاصيل تجاه الضغوط غير الحيوية مثل الجفاف والحرارة، وتحسن من امتصاص العناصر الغذائية، وتؤثر بشكل إيجابي على فسيولوجيا النبات، مما يسهم في ممارسات الزراعة المستدامة. تسلط المراجعة الضوء على تعقيد التفاعلات بين النباتات والكائنات الدقيقة الداخلية وضرورة استخدام تقنيات الأوميكس – الجينوميات، والترانسكريبتوميات، والبروتيوميات، والميتابولوميات – لفهم هذه العلاقات بشكل أفضل.
تستعرض الورقة أيضًا التحديات في تحسين استخدام الكائنات الدقيقة الداخلية، بما في ذلك القيود التقنية المتعلقة بزراعة الكائنات الدقيقة وإقامة العلاقات المفيدة بين النباتات والميكروبات. تناقش النتائج الأخيرة التي تربط بين جينات النبات وتركيب الميكروبيوم، مما يشير إلى أنه يمكن استغلال جينات المضيف للتلاعب بميكروبيوتا المحاصيل. علاوة على ذلك، يتم استكشاف إمكانية المجتمعات الميكروبية الاصطناعية (SynComs) لمعالجة القيود التقليدية للأسمدة الحيوية. يؤكد المؤلفون على أهمية الدراسات الميدانية لتقييم أدوار الكائنات الدقيقة الداخلية في ظل الظروف الطبيعية، مع الاعتراف أيضًا بالتغيرات التي تطرأ بسبب العوامل البيئية. كما يتم مناقشة الاعتبارات التشريعية المتعلقة بتصنيف وتنظيم المنتجات الميكروبية، خاصة في سياق اللوائح الأوروبية. في النهاية، تنقل الورقة التفاؤل بأن الأبحاث المستمرة والتقدم في تقنيات الأوميكس يمكن أن تؤدي إلى حلول مبتكرة لتعزيز الاستدامة الزراعية في مواجهة تغير المناخ.
مقدمة
تهدف مقدمة هذه الورقة المراجعة إلى تجميع المعرفة الحالية بشأن التفاعلات بين النباتات والكائنات الدقيقة الداخلية، وخاصة قدرتها على تعزيز إنتاج المحاصيل ومرونتها في ظل تغير المناخ. يركز المؤلفون على دور الكائنات الدقيقة الداخلية في معالجة الضغوط الحيوية وغير الحيوية، موضحين أهمية هذه التفاعلات في سياق أوسع لتغذية النباتات المعدنية والجودة. يحددون سيناريو تغير المناخ الذي يبرز الأهمية المتجددة للميكروبيوتا، ويحددون خصائص وتصنيف الكائنات الدقيقة الداخلية، ويناقشون الآليات الكامنة وراء تفاعلاتها مع النباتات الزراعية.
تستخدم المراجعة تقنيات ‘أوميكس’ المختلفة لتحليل المجتمعات الميكروبية المعقدة وعلاقاتها التبادلية مع النباتات، مع التأكيد على أهمية الأدبيات الحديثة والأبحاث الأصلية من العقد الماضي. يتم فحص الضغوط الرئيسية مثل الجفاف والحرارة والملوحة، جنبًا إلى جنب مع الأدوار الوقائية للكائنات الدقيقة ضد الضغوط الحيوية، بما في ذلك مسببات الأمراض والآفات. يدمج المؤلفون جوانب متعددة من التعايش بين الكائنات الدقيقة الداخلية والنباتات – آليات التفاعل، وتخفيف الضغوط، وتأثيرات التغذية – بينما يتناولون أيضًا قيود الأساليب المعتمدة على الميكروبات. أخيرًا، تناقش الورقة الآفاق المستقبلية لاستغلال الكائنات الدقيقة الداخلية في إنتاج المحاصيل في مواجهة تغير المناخ، مع تسليط الضوء على التحديات والفرص للتحسين.
نقاش
يسلط النقاش الضوء على العلاقات المعقدة بين النباتات والميكروبات، مؤكدًا على أهمية الميكروبيوتا النباتية في السياقات التطورية والبيئية. لقد تطورت النباتات جنبًا إلى جنب مع مجموعة متنوعة من الكائنات الدقيقة، مكونة مجتمعات ميكروبية متميزة في موائل نباتية مختلفة، مثل الفيلوسفير، والإندوسفير، والريزوسفير، والسيرموسفير. كانت هذه التفاعلات حاسمة لصحة النباتات وإنتاجيتها ومرونتها ضد الضغوط الحيوية وغير الحيوية. تشير الأدلة الأحفورية إلى أن العلاقات التبادلية بين النباتات والميكروبات موجودة منذ أكثر من 450 مليون سنة، مما يبرز دورها الأساسي في تطور النباتات ووظيفة النظام البيئي.
تأثير تغير المناخ على هذه التفاعلات عميق، حيث تهدد درجات الحرارة المرتفعة وأنماط هطول الأمطار المتغيرة بقاء النباتات والأنظمة الزراعية. تناقش الورقة كيف تسهم الممارسات الزراعية في انبعاثات غازات الدفيئة، وخاصة الميثان (CH₄) وأكسيد النيتروز (N₂O)، مما يستدعي التحول نحو ممارسات زراعية مستدامة تستفيد من تفاعلات النباتات والميكروبات. يتم تقديم مفهوم الهولوبونت، مما يبرز النباتات وميكروبيوتاها ككيانات مترابطة تعزز من دورة العناصر الغذائية وتحمل الضغوط. علاوة على ذلك، تستكشف الورقة أدوار البكتيريا الداخلية والفطريات الميكوريزية في تعزيز نمو النباتات وصحتها، مقترحة أن فهم هذه العلاقات يمكن أن يوجه الاستراتيجيات الزراعية الهادفة إلى تقليل المدخلات الكيميائية وتعزيز مرونة المحاصيل.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1349401
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38571718
Publication Date: 2024-03-20
Author(s): Lorenzo Sena et al.
Primary Topic: Mycorrhizal Fungi and Plant Interactions
Overview
The research paper discusses the significant threat climate change poses to global food security, primarily through reduced crop yields due to abiotic stresses and the proliferation of pathogens and pests. It emphasizes the potential of sustainable crop management practices, particularly through the use of endophytic microorganisms, such as Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) and various endophytic bacteria and fungi, to mitigate these challenges. These microorganisms can enhance crop resilience to abiotic stresses like drought and heat, improve nutrient uptake, and positively influence plant physiology, thereby contributing to sustainable agricultural practices. The review highlights the complexity of plant-endophyte interactions and the necessity of employing omic technologies—genomics, transcriptomics, proteomics, and metabolomics—to better understand these relationships.
The paper also outlines the challenges in optimizing the use of endophytes, including technical limitations related to microbial culturing and the establishment of beneficial plant-microbe associations. It discusses recent findings that link plant genetics to microbiome composition, suggesting that host genetics could be leveraged to manipulate crop microbiota. Furthermore, the potential for synthetic microbial communities (SynComs) to address traditional biofertilizer limitations is explored. The authors stress the importance of field studies to assess endophyte roles under natural conditions, while also acknowledging the variability introduced by environmental factors. Legislative considerations regarding the categorization and regulation of microbial products are also discussed, particularly in the context of European regulations. Ultimately, the paper conveys optimism that ongoing research and advancements in omic technologies could lead to innovative solutions for enhancing agricultural sustainability in the face of climate change.
Introduction
The introduction of this review paper aims to synthesize current knowledge regarding the interactions between plants and endophytic microorganisms, particularly their potential to enhance crop production and resilience amid climate change. The authors focus on the role of endophytes in addressing biotic and abiotic stresses, outlining the significance of these interactions within the broader context of plant mineral nutrition and quality. They define the climate change scenario that underscores the renewed importance of microbiota, delineate the characteristics and classification of endophytes, and discuss the mechanisms underlying their interactions with agricultural plants.
The review employs various ‘omic’ techniques to analyze complex microbial communities and their symbiotic relationships with plants, emphasizing the relevance of recent literature and original research from the past decade. Key stressors such as drought, heat, and salinity are examined, alongside the protective roles of microorganisms against biotic stresses, including pathogens and pests. The authors integrate multiple aspects of endophyte-plant symbiosis—mechanisms of interaction, stress mitigation, and nutritional impacts—while also addressing the limitations of microbe-based approaches. Finally, the paper discusses future perspectives on leveraging endophytes for crop production in the face of climate change, highlighting both challenges and opportunities for improvement.
Discussion
The discussion highlights the intricate relationships between plants and microorganisms, emphasizing the significance of plant microbiota in evolutionary and ecological contexts. Plants have co-evolved with various microorganisms, forming distinct microbial communities in different plant habitats, such as the phyllosphere, endosphere, rhizosphere, and spermosphere. These interactions have been crucial for plant health, productivity, and resilience against biotic and abiotic stresses. Fossil evidence indicates that symbiotic relationships between plants and microbes have existed for over 450 million years, underscoring their fundamental role in plant evolution and ecosystem functioning.
The impact of climate change on these interactions is profound, as rising temperatures and altered precipitation patterns threaten plant survival and agricultural systems. The paper discusses how agricultural practices contribute to greenhouse gas emissions, particularly methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O), necessitating a shift towards sustainable farming practices that leverage plant-microbe interactions. The holobiont concept is introduced, framing plants and their microbiota as interconnected entities that enhance nutrient cycling and stress tolerance. Furthermore, the paper explores the roles of endophytic bacteria and mycorrhizal fungi in promoting plant growth and health, suggesting that understanding these relationships can inform agricultural strategies aimed at reducing chemical inputs and enhancing crop resilience.