Piante, animali e esseri umani ospitano numerosi microrganismi come batteri e funghi. Questi formano comunità complesse che hanno un profondo impatto sulla salute del loro ospite. Un microbioma degno di nota è quello dell’intestino umano, che aiuta a digerire il cibo e ci protegge dagli agenti patogeni.
Le piante ospitano anche comunità microbiche sulle radici e sulle foglie. Queste comunità possono promuovere la crescita e tenere lontani i batteri nocivi. I microbiomi vegetali hanno quindi il potenziale per rendere l’agricoltura più sostenibile. Tuttavia, al momento abbiamo solo una comprensione rudimentale delle interazioni interspecie che danno forma a queste comunità microbiche.
Perché queste comunità tendono ad essere popolate solo da certi tipi di microbi e non da altri? “Sapevamo già che i microbiomi fogliari non erano solo alcune raccolte casuali di microbi”, afferma Julia Vorholt, professore di microbiologia all’ETH di Zurigo. “Ma le regole che determinano come si formano queste comunità e quali meccanismi modellano la loro composizione restano da trovare”.
Ora, un team di ricercatori guidato da Vorholt ha identificato proprio un tale principio organizzativo per i batteri che vivono sulle foglie della pianta modello Arabidopsis thaliana (tale crescione). I ricercatori hanno sviluppato una serie di modelli che utilizzano le preferenze nutrizionali e le capacità metaboliche dei singoli ceppi batterici per prevedere come questi microbi della superficie fogliare competono o cooperano tra loro, aiutandoci così a comprendere meglio la natura del microbioma risultante.
Lo studio del gruppo di ricerca, condotto in collaborazione con i colleghi dell’EPFL, è stato pubblicato sull’ultimo numero della rivista Scienza.
La concorrenza delle risorse porta a interazioni distinte
Come parte di un lavoro precedente, il gruppo di Vorholt aveva già dimostrato che le comunità microbiche trovate sulle foglie delle piante erano notevolmente simili. “La composizione coerente di queste comunità indica un meccanismo sottostante che controlla il modo in cui viene creato il microbioma fogliare”, afferma Vorholt.
Martin Schäfer, un postdoc nel gruppo di Vorholt e co-autore principale dello studio, spiega che “poiché tutti i batteri dipendono in ultima analisi dalle molecole organiche come cibo, abbiamo chiesto se potessimo prevedere il modo in cui interagiscono sapendo quali molecole alimentari possono metabolizzare. “
Alan Pacheco, anche co-autore principale, aggiunge: “in un ambiente competitivo, le nicchie alimentari potrebbero portare a una coesistenza e collaborazione stabili, con i microbi che interagiscono a vantaggio reciproco scambiandosi risorse”.
La domanda guida posta da Vorholt e dal suo team è: è possibile utilizzare le capacità metaboliche di diversi batteri per capire come prende forma il microbioma fogliare?
I profili di carbonio rivelano la concorrenza delle risorse
Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno iniziato testando la capacità di oltre 200 ceppi rappresentativi di batteri Arabidopsis thaliana lascia crescere utilizzando 45 diverse fonti di carbonio. Usando questi profili di carbonio, hanno determinato che c’era un’ampia sovrapposizione tra le nicchie alimentari dei ceppi. Ciò indica che esiste una feroce concorrenza per le risorse.
I ricercatori hanno quindi utilizzato questi profili di carbonio per costruire una serie di modelli metabolici affidabili per tutti i ceppi batterici e hanno simulato le interazioni tra più di 17.500 coppie di batteri. Coerentemente con l’ampia sovrapposizione nelle nicchie alimentari, le simulazioni hanno mostrato un marcato predominio delle interazioni negative: quando la competizione fa diminuire la popolazione di almeno uno dei due ceppi.
Eludere la concorrenza attraverso la cooperazione
Nonostante questa prevalenza della competizione, i modelli metabolici hanno previsto anche interazioni positive. Un’analisi più approfondita ha rivelato che queste interazioni cooperative possono essere ricondotte allo scambio di amminoacidi e organici. Gli autori dello studio hanno condotto esperimenti sulle piante per testare le previsioni dei modelli e sono stati in grado di confermarle con una precisione dell’89%.
L’accuratezza dei modelli è stata una sorpresa anche per i ricercatori stessi: “L’elevato grado di affidabilità suggerisce che le nostre supposizioni iniziali sull’importanza delle caratteristiche metaboliche erano corrette”, afferma Pacheco.
Sfruttamento dei microbiomi per l’applicazione
“La cosa fantastica dei nostri modelli è che funzionano anche al contrario”, afferma Vorholt, “in quanto possono essere utilizzati per identificare meccanismi che attivano determinati schemi di interazione”. Ciò apre la strada alla progettazione mirata del microbioma, che è un prerequisito fondamentale per le applicazioni a valle in agricoltura.
Attualmente, le aziende produttrici di sementi e i produttori di prodotti chimici per l’agricoltura utilizzano un processo di tentativi ed errori per cercare microbi che supportino in modo sostenibile la protezione delle colture. Le scoperte del team sono quindi rilevanti non solo per la ricerca fondamentale, ma anche per le applicazioni nella progettazione del microbioma per l’agricoltura.
Vorholt è co-direttore del Centro nazionale svizzero di competenza nella ricerca (NCCR) Microbiomes. L’attuale studio del suo team promuove la ricerca di una rete di 20 gruppi, il cui scopo è comprendere i microbiomi, dalle piante agli esseri umani, in modo da poter realizzare il loro vasto potenziale per la salute, l’agricoltura e l’ambiente.
Ciò può essere ottenuto, ad esempio, integrando le comunità squilibrate con il microbo giusto, rimuovendo determinate specie o persino trattando malattie con combinazioni di batteri con funzioni speciali. I modelli predittivi giocheranno un ruolo chiave in questo obiettivo.
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