Graz, Austria
November 26, 2021
Study led by TU Graz shows that apple trees inherit their microbiome to the same extent as their genes. The results lay the foundation for new breeding strategies for healthy and climate-robust fruit and vegetables.
Agriculture is facing enormous challenges worldwide due to global changes caused by human activities. Drought, severe weather events, record temperatures and emerging pathogens threaten the world's food supply. For this reason we need to make our crops more robust without further polluting the environment. Microbiome research and management offer great potential to achieve these goals. A new study by an international research group led by Graz University of Technology (TU Graz), published in the scientific journal New Phytologist, opens up new perspectives here.
The importance of the microbiome for living organisms
Microbiome research is only a few decades old, but it has already produced some ground-breaking findings. One is that humans, animals and plants have very specifically adapted microbiomes that have taken over essential functions. Both organism and microbiome have evolved in co-evolution, i.e. in mutual influence. This was able to be confirmed by the present study. Today, we consider all organisms to be "holobionts" – jointly functioning units with numerous specialized microorganisms. The latter are always numerically superior; humans, for example, have ten times more microorganisms than their own cells. The microbiome is thus classified as an important target for new health therapies and prophylaxis. This is equally true for cultivated plants, but the potential here has so far been little known or exploited.
Confirmation of the coevolution theory
The interdisciplinary group of researchers compared the microbiome of modern domesticated apple crops – i.e. specifically bred and cultivated varieties – with the microbiome of their wild ancestors as well as with the microbiome of closely related species. With the help of molecular analyses and bioinformatic methods, the group was able to determine for the first time that the microbiome is inherited to the same extent as the genes. Apples that are genetically similar thus also harbour a similar microbiome. And surprisingly, our modern apple varieties still contain some of the microbiome of their wild ancestors.
The study shows that the microbiome is also "bred" and has greatly changed over time. Until now, this has happened unintentionally and many microorganisms have been lost in the process. These lost microorganisms could now help us to make our crops fit for climate change again. This is because the focus of breeding now is no longer on the size and sweetness of the apples, but on their resilience and health. The research group is convinced that the microbiome of the wild ancestors originating from the Inner-Asian Tien Shan mountain range contains valuable microorganisms for this purpose.
Publication: Evidence for host-microbiome co-evolution in apple
Ahmed Abdelfattah, Ayco J.M. Tack, Birgit Wasserman, Jia Liu, Gabriele Berg, John Norelli, Samir Droby, Michael Wisniewski.
New Phytologist, DOI: 10.1111/nph.17820
Useful research results for agriculture
For the first author in the study, Ahmed Abdelfattah from the Institute of Environmental Biotechnology, "the results clarify a long scientific debate and lay the groundwork for new ecological strategies in plant breeding."
It would be conceivable, for example, to change the plant microbiome through the targeted introduction of microorganisms in order to increase the resistance of the plants. This is what the Institute of Environmental Biotechnology at TU Graz specializes in and Marie Curie Fellow Ahmed Abdelfattah specifically chose it as a research location due to its expertise in the field of microbiome biotechnology. “My apple microbiome journey started during my visit, as PhD student, to Dr. Michael Wisniewski’s lab in 2015”, Abdelfattah says. Wisniewski, the last author of the article and the research with whom the original experiment was designed, is a professor at Virginia Tech with a long-established scientific contribution to fruit research.
In Graz again, the vision of Institute head Gabriele Berg and her team is to use this new knowledge for plant health as well as for that of humans and our planet. The apple is thus only a symbol, as it has been many times in human history.
This research area is anchored in the Field of Expertise "Human & Biotechnology", one of the five research foci of TU Graz. The work was funded equally by the European Union's Horizon2020 under ‘Nurturing excellence by means of cross‐border and cross‐sector mobility’ program for MSCA‐IF‐2018‐Individual Fellowships, grant agreement 844114 and by BARD, Israel‐US Binational Agricultural Research and Development Fund (IS‐5040‐17).
Research partners
- TU Graz | Institute of Environmental Biotechnology, Graz, Austria.
- Leibniz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomy (ATB), Potsdam, Germany
- Stockholm University | Department of Ecology, Environment and Plant Sciences, Stockholm, Sweden
- Chongqing University of Arts and Sciences | Chongqing Key Laboratory of Economic Plant Biotechnology, Chongquing, China
- University of Postdam | Institute for Biochemistry and Biology, Potsdam, Germany.
- United States Department of Agriculture – Agricultural Research Service, Appalachian Fruit Research Station, Kearneysville, USA
- The Volcani Institute | Department of Postharvest Science, Agricultural Research Organization, Rishon LeZion, Israel
- Virginia Polytechnic Institute and State University | Department of Biological Sciences, Virginia, USA
Mikrobiomstudie ermöglicht neue Strategien für gesunde und klimarobuste Kulturpflanzen
Studie unter Leitung der TU Graz zeigt: Apfelbäume vererben ihr Mikrobiom in gleichem Maße wie ihre Gene. Die Ergebnisse legen den Grundstein für neue Züchtungsstrategien für gesundes und klimarobustes Obst und Gemüse.
Eine neue Studie unter Leitung der TU Graz bestätigt die Koevolution von Pflanzen und Mikroorganismen. © Lunghammer – TU Graz
Die Landwirtschaft steht durch die globalen, von menschlichen Aktivitäten verursachten Veränderungen weltweit vor enormen Herausforderungen: Dürre, Starkwetterereignisse, Temperaturrekorde und neu auftretende Krankheitserreger gefährden die Welternährung. Deshalb müssen wir unsere Kulturpflanzen robuster machen, ohne die Umwelt weiter zu belasten. Mikrobiomforschung und -management bieten großes Potenzial, diese Ziele zu erreichen. Durch eine neue Studie einer internationalen Forschungsgruppe unter Leitung der TU Graz, die im Fachjournal New Phytologist veröffentlicht wurde, eröffnen sich hier neue Perspektiven.
Die Bedeutung des Mikrobioms für Lebewesen
Die Mikrobiomforschung ist erst wenige Jahrzehnte alt, hat aber schon einige bahnbrechende Erkenntnisse vorzuweisen. Eine davon ist, dass Menschen, Tiere und Pflanzen ein sehr spezifisch angepasstes Mikrobiom haben, das essenzielle Funktionen übernommen hat. Beide, Organismus und Mikrobiom, sind in Koevolution, also in wechselseitiger Beeinflussung entstanden. Das konnte durch die vorliegende Studie bestätigt werden. Heute betrachten wir alle Organismen als „Holobiont“ – gemeinsam funktionierende Einheiten mit zahlreichen spezialisierten Mikroorganismen. Letztere sind zahlenmäßig immer überlegen; der Mensch hat zum Beispiel zehnmal mehr Mikroorganismen als eigene Zellen. Das Mikrobiom wird dadurch als wichtiges Ziel für neue Gesundheitstherapien und Prophylaxe eingestuft. Für Kulturpflanzen gilt das gleichermaßen, jedoch ist das Potenzial hier bislang wenig bekannt und ausgeschöpft.
Bestätigung der Koevolutionstheorie
Die interdisziplinäre Forschergruppe hat das Mikrobiom moderner domestizierter Apfelkulturen – also gezielt gezüchteter und kultivierter Sorten – mit dem Mikrobiom ihrer wilden Vorfahren sowie mit dem Mikrobiom nahe verwandter Arten verglichen. Mithilfe molekularer Analysen und bioinformatischer Verfahren konnte die Gruppe erstmals feststellen, dass das Mikrobiom im gleichen Maße vererbt wird, wie die Gene. Äpfel, die sich genetisch ähnlich sind, beherbergen so auch ein ähnliches Mikrobiom. Und überraschender Weise enthalten unsere modernen Apfelsorten immer noch ein Teil des Mikrobioms ihrer wilden Vorfahren.
Die Studie zeigt, dass auch das Mikrobiom „gezüchtet“ und mit der Zeit stark verändert wurde. Bislang passierte dies ungezielt und viele Mikroorganismen sind dabei verloren gegangen. Diese verlorengegangenen Mikroorganismen könnten uns jetzt helfen, unsere Kulturpflanzen wieder fit für den Klimawandel zu machen. Denn jetzt steht nicht mehr Größe und Süße der Äpfel im Vordergrund der Züchtung, sondern deren Resilienz und Gesundheit. Die Forschergruppe ist überzeugt, dass das Mikrobiom der wilden Vorfahren, die aus dem innerasiatischen Tienschan-Gebirge stammen, hierzu wertvolle Mikroorganismen enthält.
Publikation: Evidence for host-microbiome co-evolution in apple
Ahmed Abdelfattah, Ayco J.M. Tack, Birgit Wasserman, Jia Liu, Gabriele Berg, John Norelli, Samir Droby, Michael Wisniewski.
New Phytologist, DOI: 10.1111/nph.17820
Nützliche Forschungsergebnisse für die Landwirtschaft
Für Studien-Erstautor Ahmed Abdelfattah vom Institut für Umweltbiotechnologie „klären die Ergebnisse eine lange wissenschaftliche Debatte und legen den Grundstock für neue ökologische Strategien in der Pflanzenzüchtung.“
Denkbar wäre beispielsweise das Verändern des Pflanzenmikrobioms durch gezieltes Einbringen von Mikroorganismen, um die Widerstandskraft der Pflanzen zu erhöhen. Hierauf ist das Institut für Umweltbiotechnologie der TU Graz spezialisiert (siehe dazu Links am Ende des Beitrags) und Marie Curie Fellow Ahmed Abdelfattah hat es als Forschungsstandort gezielt durch die Expertise auf dem Gebiet der Mikrobiom-Biotechnologie ausgewählt. „Meine Forschung am Apfel-Mikrobiom begann während meiner Zeit als Doktorand im Labor von Dr. Michael Wisniewski im Jahr 2015", so Abdelfattah. Wisniewski, Letztautor des Artikels und derjenige, mit dem das ursprüngliche Experiment konzipiert wurde, ist Professor an der Virginia Tech und hat mit seiner langjährigen Obstforschung einen enormen wissenschaftlichen Beitrag geleistet.
In Graz wiederum ist es die Vision von Institutsleiterin Gabriele Berg und ihrem Team, dieses neue Wissen sowohl für die Pflanzengesundheit als auch für die des Menschen und unseres Planeten einzusetzen. Der Apfel ist somit nur ein Symbol, wie schon oft in der Geschichte der Menschheit.
Diese Studie ist im Field of Expertise „Human & Biotechnology“ verankert, einem von fünf strategischen Forschungsschwerpunkten der TU Graz. Die Arbeit wurde finaniziert durch Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) im Rahmen von Horizon2020-EU.1.3.2 sowie von BARD, Israel-US Binational Agricultural Research and Development Fund.
Forschungspartner
- TU Graz | Institut für Umweltbiotechnologie, Graz, Österreich.
- Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB), Potsdam, Deutschland
- Universität Stockholm | Fakultät für Ökologie, Umwelt und Pflanzenwissenschaften, Stockholm, Schweden
- Chongqing University of Arts and Sciences | Chongqing Key Laboratory of Economic Plant Biotechnology, Chongquing, China
- Universität von Postdam | Institut für Biochemie und Biologie, Potsdam, Deutschland.
- United States Department of Agriculture - Agricultural Research Service, Appalachian Fruit Research Station, Kearneysville, USA
- The Volcani Institute | Department of Postharvest Science, Landwirtschaftliche Forschungsorganisation, Rishon LeZion, Israel
- Virginia Polytechnic Institute and State University | Abteilung für biologische Wissenschaften, Virginia, USA
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Species
