Classificazione della pianta

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10857 (2022) Citare questo articolo

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La rizosfera, la regione del suolo che circonda le radici delle piante, è colonizzata da una popolazione unica di rizobatteri promotori della crescita delle piante (PGPR). Al genere Pseudomonas appartengono molti importanti PGPR e patogeni vegetali. Vi è, tuttavia, incertezza sulla divisione tra ceppi benefici e patogeni poiché in precedenza si riteneva che le caratteristiche genomiche avessero un potere limitato nel separare questi ceppi. Qui abbiamo utilizzato il sistema di annotazione dei percorsi biologici comuni delle proprietà del genoma (GP) e il Machine Learning (ML) per stabilire la relazione tra la composizione GP dell'intero genoma e lo stile di vita associato alle piante di 91 ceppi di Pseudomonas isolati dalla rizosfera e dalla fillosfera che rappresentano entrambe le piante -fenotipi associati. L'analisi dell'arricchimento GP, l'adattamento del modello Random Forest e la selezione delle caratteristiche hanno rivelato 28 caratteristiche discriminanti. Una serie di test su 75 nuovi ceppi ha confermato l'importanza delle caratteristiche selezionate per la classificazione. I risultati suggeriscono che le annotazioni GP forniscono uno strumento computazionale promettente per classificare meglio lo stile di vita associato alle piante.

Tra gli obiettivi fissati dalle Nazioni Unite per raggiungere l'obiettivo Fame Zero, viene specificata la necessità di raddoppiare la produzione agroalimentare1. I precedenti tentativi di migliorare le prestazioni e la produzione delle piante si concentravano sulla selezione vegetale, sul controllo dei parassiti con mezzi chimici e sull’implementazione di fertilizzanti sintetici che attingevano a riserve globali limitate2,3. Sebbene queste strategie abbiano avuto successo nel migliorare la produzione, i crescenti effetti negativi sull’ambiente ci sfidano a trovare alternative sostenibili4,5,6.

Numerosi studi hanno dimostrato che i microbiomi cooperativi possono svolgere importanti ruoli positivi nella crescita, nello sviluppo e nella forma fisica delle piante2,3,7. Un punto caldo particolare è la rizosfera, la regione del suolo che circonda le radici delle piante, colonizzata dai rizobatteri che promuovono la crescita delle piante (PGPR)8. Una popolazione PGPR stabile può aumentare la tolleranza allo stress, la crescita e la resa delle piante coltivate migliorando l'assorbimento dei nutrienti dal suolo e attraverso la modulazione dello stato e del metabolismo dei fitormoni vegetali7,9,10,11,12,13,14,15. I PGPR più studiati sono Pseudomonas spp., un gruppo funzionalmente diversificato che rappresenta specie patogene utili alle piante e (opportunistiche) come P. syringae che possono vivere sulla superficie della pianta come epifita. In giuste condizioni P. syringae può anche colonizzare il tessuto interno della pianta e causare malattie16,17,18.

Lo stile di vita associato alle piante di un ceppo di Pseudomonas è il risultato di uno spettro diversificato di percorsi di interazione pianta-ospite. Gli approcci correlazionali basati sul genoma hanno identificato una serie di geni marcatori che contribuiscono al fenotipo19,20,21. Questi geni marcatori sono tuttavia, in una certa misura, condivisi tra entrambi i gruppi22 e, di conseguenza, l'incertezza sul divario aumenta con ogni nuovo genoma aggiunto. Fino ad ora manca una descrizione generica della presenza e della completezza delle funzioni e dei percorsi biologici che contribuiscono allo stile di vita associato alle piante di un ceppo di Pseudomonas. Tale conoscenza fornirebbe informazioni fondamentali sul loro potenziale per migliorare le prestazioni e la resilienza degli impianti.

La genomica funzionale comparativa è possibile quando i geni vengono inseriti in un contesto biologico. Genome Properties (GP) è un sistema di annotazione funzionale basato sul dominio in cui è possibile assegnare attributi funzionali a un genoma23. La risorsa rappresenta una raccolta di 1286 percorsi biologici comuni evidenziati da insiemi distinti di domini proteici. Per un confronto funzionale su scala più ampia, i domini proteici sono meglio scalabili e meno sensibili alla variazione di sequenza rispetto alle tecniche basate sulla somiglianza di sequenza 24,25. Qui abbiamo applicato la genomica funzionale basata su GP utilizzando un totale di 1286 caratteristiche e tecniche di apprendimento automatico per confrontare 91 ceppi di Pseudomonas completamente sequenziati con uno stile di vita documentato: 58 ceppi di Pseudomonas che vivono nel suolo classificati come PGPR e 33 patogeni vegetali noti, per lo più epifiti P. ceppi di siringhe (EPP). Poiché ceppi con stili di vita diversi spesso appartengono a un'unica specie, è stato suggerito che le isole genomiche acquisite e perse attraverso la ricombinazione omologa possano codificare importanti determinanti dello stile di vita associato alle piante26. Un'analisi a livello di sistema delle proprietà genomiche codificate da queste regioni variabili ci ha permesso di classificare accuratamente i ceppi di Pseudomonas e di identificare nuove caratteristiche funzionali discriminanti che potrebbero contribuire allo stile di vita associato alle piante. Nella sezione di discussione queste caratteristiche discriminanti sono collocate in un contesto biologico.