Stockholm, Sweden
January 22, 2021
Scientists have been pondering if the microbiome of plants is due to nature or nurture. Research at Stockholm University, published in Environmental Microbiology, showed that oak acorns contain a large diversity of microbes, and that oak seedlings inherit their microbiome from these acorns.
Scientists have been pondering if the microbiome of plants is due to nature or nurture. Research at Stockholm University, published in Environmental Microbiology, showed that oak acorns contain a large diversity of microbes, and that oak seedlings inherit their microbiome from these acorns.
Oak seedling. Illustration: Ahmed Abdelfattah.
"The idea that seeds can be the link between the microbes in the mother tree and its offspring has frequently been discussed, but this is the first time someone proves the transmission route from the seed to the leaves and roots of emerging plants", says Ahmed Abdelfattah, researcher at the Department of Ecology Environment and Plant Sciences (DEEP) at Stockholm University.
The microorganisms found on the seed are often valuable for the plant, promoting its growth and protecting it against certain diseases. Each plant species harbours a distinct microbial community, with some of the microbes living on its surface and others inside the plant's tissues.
The finding also means that since the microorganisms from the seed are there first, they can constitute a barrier which influences subsequent colonization by other microbes from the environment. The experiment was done in oaks, since it's one of the most abundant tree species in the Swedish and European forests.
"The microorganisms from the seed are also expected to be very important for plant health and functioning", says Ahmed Abdelfattah.
The fossil record indicates that plants have been associated with fungi and bacteria - constituting the microbiome - for more than 400 million years. Several species the scientists found on the oak seeds are already shown by other studies to be involved in the protection against several plant pathogens, growth-promotion, nitrogen-fixing, and the detoxification or biodegradation of toxic environmental pollutants.
Demonstrating inheritance under natural conditions is challenging since seeds are exposed to and dependent on their surrounding environment when they sprout, especially the soil, which is a microbially rich environment. Therefore, it's nearly impossible to differentiate between which microorganism actually come from the seed or from the soil. The research team therefore used a novel culturing device, to grow oak seedlings in a microbe-free condition and keep the leaves separated from the roots. This allowed them to be certain that the microorganisms came from the seed, and that they could demonstrate that some seed microorganisms migrate to the roots, and some others to the leaves.
"Plant leaves and roots are already known to harbor distinct microbial communities, as shown by several recent studies. In this study however, we were surprised to see that it is also true at an early stage of the plant development, and that the seed could, at least partially, be responsible for these differences", Says Ahmed Abdelfattah
"Several breeding companies are taking into consideration the seed microbiome in their programs hoping to have super plants with better genes and better microbes. One technique used, is to treat seeds with beneficial microorganism with the aim that those microbes will eventually colonize the plant and exert their effects throughout the plant's life", says Ahmed Abdelfattah.
The next step for the research team is now to discern which is the major source of the of the microbiome - the environment or the seed.
Publication:
Find the article in Environmental Microbiology, "Experimental evidence of microbial inheritance in plants and transmission routes from seed to phyllosphere and root"
Frön överför sin livsmiljö till nästa generation
Beror växternas livsmiljö, det så kallade mikrobiomet, på arv eller miljö? Det är en fråga forskare brottats med länge. Forskning vid Stockholms universitet, publicerad i den vetenskapliga tidskriften Environmental Microbiology, visar att ekollon själva innehåller mängder av mikroorganismer, som de sedan överför till ekplantan.
– Idén att själva fröet skulle vara länken mellan moderträdets mikroorganismer och den nya plantans framtida miljö har diskuterats mycket. Vi har för första gången visat att det är så, säger Ahmed Abdelfattah, forskare vid Institutionen för ekologi, miljö och botanik (DEEP) vid Stockholms universitet.
Forskningen, som gjordes på ekar eftersom det är en av de vanligaste trädarterna i svenska och europeiska skogar, visar att fröets mikroorganismer är viktiga för växtens framtida hälsa. De främjar tillväxt och skyddar mot vissa sjukdomar. Varje växtart har ett distinkt mikrobsamhälle, där några av mikroberna finns på ytan och andra inuti växtens vävnader. Mikroorganismerna från fröet blir på så sätt en barriär, som påverkar vilka andra mikrober som kan komma in från omgivningen.
Studier av fossil visar att växter har levt i samklang med svampar och bakterier, det så kallade mikrobiomet, i mer än 400 miljoner år. De mikroorganismer forskarna fann på ekfrö har i andra studier visat sig skydda mot både sjukdomar och giftiga miljöföroreningar och påverka tillväxt och kvävebindningar.
– Att visa hur mikrobiomet överförs under naturliga förhållanden är en utmaning, eftersom frön är beroende av jorden de gror i och den är rik på mikrober. Därför är det nästan omöjligt att skilja på om mikroorganismerna faktiskt kommer från fröet eller jorden, säger Ahmed Abdelfattah.
Forskargruppen använde därför en ny teknik för att odla ekplantor i ett mikrobfritt tillstånd, där bladen hålls åtskilda från rötterna. Detta gjorde det möjligt att vara säkra på att mikroorganismerna härstammar från fröet och att vissa mikroorganismer migrerar till rötterna och andra till bladen.
– Vi vet redan att blad och rötter innehåller olika mikrobiella samhällen, vilket flera nya studier också visar. Men vi blev ändå förvånade över att se att det sker i ett så tidigt skede av växtutvecklingen, och att fröet, åtminstone delvis, är källan till det, säger Ahmed Abdelfattah.
Nästa steg för forskargruppen är nu att urskilja vilken som är den viktigaste källan till mikrobiomet - miljön eller fröet.
– Många fröföretag jobbar aktivt med fröers mikrobiom i hopp om att kunna odla fram superplantor med bättre gener och mikroorganismer. En teknik som används är att behandla frön med gynnsamma mikroorganismer, för att de så småningom ska kolonisera växten och påverka plantan. Nu visar det sig att fröet gör en stor del av det arbetet själv, säger Ahmed Abdelfattah.
Läs artikeln “Experimental evidence of microbial inheritance in plants and transmission routes from seed to phyllosphere and root” i den vetenskapliga tidskriften Environmental Microbiology.
Topics
Species
