Culturomic recovery of the banana (Musa spp.) core microbiome creates a biobank for functional microbiome engineering

Planten leven niet alleen. Onder de grond en binnenin hun stengels huisvesten zij uitgestrekte, onzichtbare gemeenschappen van bacteriën die als partners fungeren, waarbij ze de gastheer helpen bij het absorberen van voedingsstoffen, sterker groeien en weerstand te bieden tegen ziekten. Jarenlang hebben wetenschappers deze gemeenschappen in kaart gebracht met behulp van DNA-sequencing, waarbij zij hebben geïdentificeerd welke bacteriegroepen het meest voorkomend en persistent zijn. Echter, er bleef een grote kloof bestaan: hoewel onderzoekers de namen van deze bacteriën konden zien in een computordatabase, konden zij hen niet in een laboratorium kweken. Zonder levende culturen is het onmogelijk om te testen wat deze bacteriën daadwerkelijk doen of om hen te gebruiken om gewassen te helpen. Deze beperking heeft het potentieel van het plantmicrobioom op slot gehouden, waardoor boeren deze natuurlijke bondgenoten niet konden gebruiken om de voedselproductie te verbeteren.

Een team van onderzoekers van The University of Queensland en de Queensland Department of Primary Industries heeft nu die deur geopend voor een van de belangrijkste vruchtgewassen ter wereld: de banaan. Door een gespecialiseerde, hoog-volume methode te gebruiken om bacteriën uit bananenwortels en -bladeren te kweken, hebben zij succesvol levende versies teruggevonden van de meest voorkomende bacteriegroepen die in de plant worden aangetroffen. Zij creëerden een permanente collectie, of biobank, van deze isolaten en sequenceten hun genomen om hun vermogens te begrijpen. De studie toonde aan dat veel van deze bacteriën over de genetische instrumenten beschikken om planten te helpen groeien en te vechten tegen een verwoestende schimmelziekte die bekend staat als Fusarium-verwelking. Bij tests in levende planten verminderden twee van deze bacteriestammen de schade veroorzaakt door de schimmel aanzienlijk, wat bewees dat het omzetten van een DNA-lijst in een levende bibliotheek kan leiden tot praktische oplossingen voor de gezondheid van gewassen.

Bananen zijn een basisvoedsel voor miljoenen mensen in tropische regio's, maar de productie wordt constant bedreigd door omgevingsstress en ziekten. Een van de meest ernstige bedreigingen is Fusarium-verwelking, een in de bodem levende schimmel die het wortelstelsel van de plant binnendringt, waardoor het interne weefsel bruin en necrotisch wordt totdat de plant sterft. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar biologische manieren om deze ziekte te stoppen, waarbij zij vaak zochten naar gunstige bacteriën die als een schild zouden kunnen fungeren. De uitdaging was dat de bacteriën die in een gezonde bananenplant leven divers en moeilijk te isoleren zijn. Eerdere studies hadden een "kernmicrobioom" geïdentificeerd—een specifieke set bacteriegroepen die consistent verschijnen in bananen, ongeacht waar ze worden gekweekt. Deze kernbacteriën zijn de meest betrouwbare partners omdat ze in verschillende omgevingen standhouden, wat hen de beste kandidaten maakt om de plant te helpen. Tot nu toe bestonden deze kernbacteriën echter alleen als sequenties van genetische code. Niemand had hen tot nu toe succesvol in een laboratorium gekweekt om te zien of ze daadwerkelijk de plant konden beschermen.

Om deze kloof te overbruggen, zetten de onderzoekers zich in om de levende versies van deze kernbacteriën te vangen. Zij verzamelden monsters van bananenplanten die groeiden op een commerciële plantage in South Johnstone, Queensland. In plaats van standaardmethoden te gebruiken die vaak moeilijker te kweken bacteriën missen, gebruikten zij een techniek genaamd high-throughput limiting dilution culturomics. Deze benadering houdt in dat men minuscule hoeveelheden plantmateriaal neemt en deze verspreidt over duizenden afzonderlijke cultuurvaten, elk met een ander type voedingsbodem. Door het monster zo sterk te verdunnen dat de meeste vaten slechts één bacterie of helemaal geen bacterie bevatten, konden de onderzoekers individuele bacteriën stimuleren om zichtbare kolonies te vormen zonder competitie van sneller groeiende buren. Zij voerden dit proces uit over vijf afzonderlijke experimenten, waarbij bijna 39.000 cultuurvaten werden geïnoculeerd met extracten van bananenwortels en -bladeren.

De resultaten vormden een significante doorbraak in het vastleggen van de verborgen diversiteit van het bananenmicrobioom. Uit de duizenden culturen die groei vertoonden, identificeerde het team honderden bacterietypen. Cruciaal was dat zij levende vertegenwoordigers vonden van 24 van de 36 bacteriegroepen die in eerdere DNA-studies als het kernmicrobioom waren gedefinieerd. Dit betekent dat zij twee derde van de meest persistente en belangrijke bacteriele partners van de banaan succesvol hebben teruggevonden. Zij vestigden een biobank met 62 geverifieerde isolaten van deze kernbacteriën, die zij hebben ingevroren voor toekomstig gebruik. Deze collectie is niet slechts een lijst met namen; het is een fysieke bron van levende organismen die wetenschappers nu in detail kunnen bestuderen.

Met de bacteriën in handen, richtten de onderzoekers zich op hun genomen om te begrijpen wat deze organismen in staat waren. Zij sequenceten het DNA van representatieve stammen van elke van de 24 teruggevonden groepen. De genetische analyse onthulde een breed scala aan gunstige eigenschappen. Veel van de bacteriën droegen genen voor het verwerven van voedingsstoffen, zoals het onttrekken van stikstof aan de lucht of het oplossen van fosfor in de bodem om het beschikbaar te maken voor de plant. Anderen bezaten de genetische machinerie om hormonen te produceren die de plantengroei stimuleren of om verbindingen te creëren die de groei van schadelijke schimmels blokkeren. De aanwezigheid van deze genen suggereerde dat het kernmicrobioom niet slechts een passieve passagier is, maar een actieve bijdrager aan de gezondheid van de banaan, uitgerust met instrumenten om de gastheer te helpen overleven en te gedijen.

Om te zien of deze genetische beloften vertaalden naar bescherming in de echte wereld, testte het team de bacteriën tegen de Fusarium-schimmel. Eerst kweekten zij de bacteriën en de schimmel samen in een petrischaal. Verschillende van de bacteriestammen waren in staat om de verspreiding van de schimmel te stoppen, waarbij vier stammen bijzonder sterke inhibitie vertoonden. De meest veelbelovende kandidaten werden vervolgens overgebracht naar levende planten. De onderzoekers inoculeerden jonge bananenplanten met deze bacteriën en exposeerden hen vervolgens aan de Fusarium-schimmel. De resultaten waren duidelijk: planten die behandeld waren met twee specifieke bacteriestammen, geïdentificeerd als isolaten 8 en 10, leden aanzienlijk minder aan intern weefselverval dan onbehandelde planten. De bacteriën hadden het verloop van de ziekte succesvol verminderd, waardoor het wortelstelsel van de plant gezonder bleef.

De studie benadrukte ook een belangrijke les over hoe bacteriën in de natuur werken. Hoewel één bacteriestam zeer goed presteerde in de petrischaal, beschermde deze de levende plant niet zo effectief als de anderen. De onderzoekers herleidden dit verschil naar de natuurlijke habitat van de bacterie. De stam die moeite had in de plant, werd doorgaans op de bladeren gevonden, ver verwijderd van de wortels waar de schimmel aanvalt. In tegen te contrary waren de succesvolle stammen van nature geassocieerd met de wortel- en stengelweefsels waar de infectie begint. Dit suggereert dat een bacterie om een effectieve beschermer te zijn, niet alleen over de juiste instrumenten moet beschikken om de ziekte te bestrijden, maar ook op de juiste plek moet zijn om die te gebruiken. De kernmicrobioom-benadering hielp bij het identificeren van deze ecologisch relevante kandidaten omdat de onderzoekers begonnen met bacteriën die al bekend staan als bewoners van de wortelzone van de banaan.

Door een met sequenties gedefinieerde lijst van bacteriën om te zetten in een levende, genetisch gekarakteriseerde bibliotheek, biedt dit werk een fundament voor toekomstige landbouwverbeteringen. De biobank stelt wetenschappers in staat om verder te gaan dan het raden wat deze bacteriën zouden kunnen doen en in plaats daarvan hun functies direct te testen. Het opent de deur naar het ontwikkelen van nieuwe strategieën voor het beheer van bananenteelt, of dat nu door het introduceren van specifieke gunstige bacteriën is of door het beheer van de bodem om de groei van de reeds aanwezige, behulpzame bacteriën te stimuleren. Het succes van het isoleren van deze kernbacteriën en het aantonen van hun vermogen om ziekte te verminderen in levende planten, laat zien dat de weg naar veerkrachtigere gewassen kan liggen in het begrijpen en benutten van de onzichtbare partners waar planten al miljoenen jaren op vertrouwen.