UNIVERSITY PARK, Pa. – Δεκαετίες έρευνας έχουν δείξει υπόσχεση για τη χρήση της επιστήμης του μικροβιώματος για την επίλυση πολλών προβλημάτων που αντιμετωπίζει η γεωργία, αλλά αυτά τα ευρήματα δεν έχουν ακόμη μεταφραστεί σε πρακτικές συστάσεις για τους καλλιεργητές, σύμφωνα με μια ομάδα επιστημόνων στο Κολέγιο Γεωργικών Επιστημών του Penn State.
Οι ερευνητές συνέταξαν μια εργασία στο περιοδικό Applied and Environmental Microbiology σχετικά με το πώς οι επιστήμονες και οι καλλιεργητές μπορούσαν να μεταφράσουν την έρευνα μικροβιώματος από τη θεωρία σε πρακτικές εφαρμογές στη φυτική παραγωγή.
Στις ερωτήσεις και απαντήσεις παρακάτω, μερικοί από τους συγγραφείς – η Carolee Bull, καθηγήτρια βακτηριακής συστηματικής και παθολογίας των φυτών· Alex Vompe, μεταδιδακτορικός μελετητής, Mozhde Hamidizade, μεταδιδακτορικός μελετητής και Kevin Hockett, αναπληρωτής καθηγητής μικροβιακής οικολογίας – μίλησαν για το πού θα μπορούσε να ωφελήσει η επιστήμη η μικροβιολογία για να αντιμετωπιστεί η έρευνα. παραγωγής.
Ε: Τι είναι το μικροβίωμα και γιατί έχουν σημασία στη γεωργία;
Ταύρος: Ένα μικροβίωμα είναι η κοινότητα των μικροοργανισμών – συμπεριλαμβανομένων των βακτηρίων, των αρχαίων, των ιών και των μικροευκαρυωτών, συμπεριλαμβανομένων των μυκήτων – που κατοικούν σε έναν συγκεκριμένο βιότοπο, ο οποίος μπορεί να είναι ένας συγκεκριμένος οργανισμός. Όταν μιλάμε για φυτά, αναφερόμαστε επίσης στο φυτόβιωμα, το οποίο είναι ένα σύστημα που περιλαμβάνει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του φυτού, την ποικιλία των μικροβίων που κατοικούν στο φυτό και το έδαφος γύρω από το φυτό.
Προηγούμενη έρευνα έχει δείξει υπόσχεση για την επιστήμη του μικροβιώματος να βοηθήσει στην εξεύρεση λύσεων για πολλαπλά προβλήματα που αντιμετωπίζει η γεωργία. Για παράδειγμα, μελέτες έχουν δείξει ότι οι μικροοργανισμοί που προάγουν την ανάπτυξη των φυτών μπορούν να μετριάσουν τις επιπτώσεις των περιβαλλοντικών πιέσεων και των ασθενειών των φυτών στην απόδοση της καλλιέργειας.
Η ασφάλεια των τροφίμων είναι επίσης μια σημαντική πρόκληση στα γεωργικά συστήματα και η χρήση μικροβίων για τον μετριασμό του κινδύνου τροφιμογενών ασθενειών δείχνει μεγάλες δυνατότητες. Επιπλέον, τα μικροβιώματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μείωση της χρήσης χημικών φυτοφαρμάκων, γεγονός που θα μείωνε την έκθεση των εργαζομένων σε αγροκτήματα και άλλων σε χημικά φυτοφάρμακα, ελαχιστοποιώντας τις πιθανές επιπτώσεις στην υγεία τους. Τα μικροβιακά φυτοφάρμακα θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη διαχείριση πληθυσμών παρασίτων που είναι ανθεκτικά στα χημικά φυτοφάρμακα.
Ωστόσο, ενώ οι χειρισμοί μικροβιώματος και τα μικροβιακά εμβόλια παρουσιάζουν πολλά υποσχόμενες λύσεις, η πρακτική εφαρμογή τους μέχρι στιγμής έχει αποδειχθεί προκλητική.
Ε: Πώς μπορεί η επιστήμη του μικροβιώματος να λύσει αυτά τα προβλήματα;
Αντλία: Υπάρχουν διάφορες στρατηγικές που μπορούν να χρησιμοποιήσουν μικροβιώματα για να βελτιώσουν τα γεωργικά αποτελέσματα. Το πρώτο είναι η προσθήκη μικροβιακών κοινοτήτων ή υποστρώματος που προάγει μια ευεργετική μικροβιακή κοινότητα στα φυτικά συστήματα με στόχο την προώθηση της βελτίωσης της υγείας των φυτών και της παραγωγικότητας των καλλιεργειών, όπως τα πρεβιοτικά και τα προβιοτικά.
Ένα παράδειγμα επιτυχημένης χρήσης προβιοτικών στη γεωργία περιλαμβάνει την εφαρμογή ορισμένων βακτηρίων στους σπόρους για να δώσει στα φυτά αντοχή έναντι διαφορετικών, παθογόνων βακτηρίων. Ένα άλλο είναι η εφαρμογή συγκεκριμένων βακτηρίων στη σόγια για να αντικαταστήσει είτε μερικώς είτε πλήρως τα αζωτούχα λιπάσματα, τα οποία συνδέονται με «περιβαλλοντικά ζητήματα και θέματα υγείας».
Εκτός από τα οφέλη, τα μικροβιώματα μπορούν επίσης να βοηθήσουν τα φυτά αναστέλλοντας τα επιβλαβή μικρόβια. Για παράδειγμα, οι βακτηριοφάγοι είναι σημαντικοί θηρευτές στα γεωργικά συστήματα και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την αποτελεσματική μείωση των βακτηριακών πληθυσμών-στόχων.
Χόκετ: Τα μικροβιώματα μπορούν επίσης να διαμορφωθούν μέσω επιλεκτικής πίεσης με την πάροδο του χρόνου, σε μια διαδικασία που ονομάζεται “πέρασμα”. Αυτό αναφέρεται στην επανειλημμένη υποβολή μιας μικροβιακής κοινότητας στο ίδιο περιβάλλον και τις σχετικές πιέσεις του, συνήθως με στόχο την ενίσχυση ενός χαρακτηριστικού, όπως η αύξηση της ανοχής στα φυτικά αλάτι ή η καταστολή ασθενειών.
Hamidizade: Τέλος, τα μικροβιώματα σπόρων μπορούν να λειτουργήσουν ως μικροβιακές δεξαμενές που μπορούν να επηρεάσουν τα φυτά για γενιές. Μπορούν να βελτιώσουν τους ρυθμούς βλάστησης, την υγεία των φυταρίων και να επηρεάσουν σημαντικά λειτουργικά χαρακτηριστικά των φυτών. Μπορούν επίσης να ενισχύσουν τη διαθεσιμότητα και την πρόσληψη θρεπτικών συστατικών ενώ αυξάνουν την ανοχή στο βιοτικό και αβιοτικό στρες.
Ε: Ποιες είναι μερικές από τις προκλήσεις για την εφαρμογή αυτών των λύσεων;
Hamidizade: Η συμπλήρωση ξενιστών ή περιβαλλόντων με λειτουργικές μικροβιακές κοινότητες παρουσιάζει αρκετές προκλήσεις.
Πρώτον, ο ξενιστής ή το περιβάλλον μπορεί να χρειαστεί να συμπληρωθεί εκ νέου με μικρόβια πολλές φορές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η επιμονή αυτών των στελεχών μικροβίων μπορεί να είναι απρόβλεπτη σε πολύπλοκο, πραγματικό οικοσύστημα. Δεύτερον, τα υπάρχοντα προβιοτικά μικροβιώματος συνήθως περιορίζονται στα βακτήρια, τα οποία αγνοούν τα πιθανά οφέλη οργανισμών όπως τα αρχαία, οι μικροευκαρυώτες και οι ιοί.
Τρίτον, αυτές οι κοινότητες που έχουν εισαχθεί μπορούν ενδεχομένως να φιλοξενούν γονίδια για αντοχή στα αντιβιοτικά και άλλα ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά. Τέλος, τα πρότυπα για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας, της συνέπειας και της ασφάλειας των προβιοτικών σε όλες τις συνθήκες παραμένουν περιορισμένα και χρειάζονται περαιτέρω ανάπτυξη και επικύρωση.
Ε: Πώς εφαρμόζουμε αυτές τις λύσεις στην πράξη και τι ακολουθεί για την επιστήμη του μικροβιώματος στη γεωργία;
Αντλία: Ορισμένες από αυτές τις προσεγγίσεις λύσεων είναι πιο ώριμες και χρησιμοποιούνται ευρέως, ενώ άλλες είναι πιο νέες και αντιμετωπίζουν προκλήσεις στη μετάφραση λόγω της βιολογικής πολυπλοκότητας και της καινοτομίας. Πιστεύουμε ότι υπάρχει μια σειρά από βασικούς στόχους που πρέπει να εκπληρωθούν για την αποτελεσματικότερη εφαρμογή των μικροβιωμάτων στη μετάφραση.
Πρώτον, η γεωργία ακριβείας πρέπει να αποτελεί προτεραιότητα. Για να είναι επιτυχείς οι θεραπείες που ενημερώνονται για το μικροβίωμα, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να παρέχουμε εξατομικευμένες θεραπείες για καλλιέργειες, θεραπεύοντας μεμονωμένα χωράφια, μέρη χωραφιών και, ενδεχομένως, μεμονωμένα φυτά.
Δεύτερον, τα προϊόντα μικροβιώματος για τους καλλιεργητές πρέπει να ρυθμιστούν και να διατεθούν στο εμπόριο. Αυτή η διαδικασία θα θέσει πρότυπα για την ασφάλεια, την αποτελεσματικότητα και την αναπαραγωγιμότητα του προϊόντος. Επιπλέον, πρέπει να αναπτύξουμε σχέσεις και εμπιστοσύνη με τα ενδιαφερόμενα μέρη. Η αποδοχή των καλλιεργητών είναι ένα σημαντικό εμπόδιο και η έρευνα επέκτασης παραμένει μια σημαντική γέφυρα προς την αποδοχή των καλλιεργητών. Η συμμετοχική έρευνα, στην οποία οι καλλιεργητές είναι συν-σχεδιαστές της έρευνας, είναι μια επιτυχημένη προσέγγιση που οδηγεί στην αποδοχή και την υιοθέτηση.
Τέλος, τα καλύτερα εργαλεία που έχουν στη διάθεσή τους οι επιστήμονες για την αντιμετώπιση των παραπάνω στόχων είναι προσεκτικά σχεδιασμένα, μακροπρόθεσμα πειράματα σε τοποθεσίες με ποικίλες εδαφικές και κλιματικές συνθήκες για να αντιπροσωπεύουν την ποικιλομορφία των γεωργικών συστημάτων. Παρέχοντας τόσο χρόνο όσο και ποικιλία συνθηκών, οι επιστήμονες θα είναι σε θέση να κατανοήσουν καλύτερα την επίδραση των παρεμβάσεων στο μικροβίωμα στην υγεία των καλλιεργειών.
