Sweden
October 8, 2024
The researchers have used microscopy to investigate the transport of sRNA from wheat roots into the fungus Clonostachys rosea. Purple fields in the green colored mushrooms are the proof. Microscope photo: Naga Charan Konakalla
For the first time, scientists have shown that a crop, in this case wheat, can control what a beneficial fungus does by sending small RNA molecules into the fungal cells. This means a big step forward for research into environmentally friendly control methods in agriculture. The research builds on the ground-breaking work that was awarded the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 2024.
The research was carried out at the Department of Forest Mycology and Plant Pathology in Uppsala and the Department of Plant Breeding in Alnarp, both at SLU. The study was recently published in the journal BMC Biology.
– The Nobel Prize for the discovery of microRNA highlights how small discoveries can have big consequences. Ambros and Ruvkun's work has laid the foundation for an understanding of gene regulation that we now apply in agriculture. Their discovery is an inspiration in our efforts to develop innovative solutions for crop protection and promote sustainable methods for the future, says Ramesh Vetukuri, one of the SLU researchers behind the study.
Some fungi live as parasites on other fungi, and some of these species have started to be used to control harmful fungi that cause disease in crops. To be able to improve and make this type of biological control more efficient, researchers at SLU are trying to gain a deeper understanding of the mechanisms involved.
A new mechanism for communication
In this work, they have now discovered a completely new mechanism for how plants and fungi communicate. The discovery was made in studies of wheat and the fungus Clonostachys rosea – a parasitic fungus that can attack wheat pests and therefore can be used as a biological pesticide. In addition, this beneficial fungus has properties that promote the growth of wheat.
The communication takes place with the help of small RNA molecules, sRNA, which move from the wheat roots into the fungal cells where they then regulate important genes in the fungus. The wheat can thus switch off, or silence, a gene that affects a certain characteristic of the fungus. This is the very first study where sRNA molecules have been shown to be transported from a plant to a biological control organism.
– This is a big step forward for research into environmentally friendly pesticides in agriculture. If we can influence how the sRNA molecules are sent in the future, we can use it to optimize our crop protection not only in wheat but also in other crops, says Mukesh Dubey.
The wheat controls the effectiveness of the fungus’ defense
The researchers used both microscopy and molecular methods to demonstrate how two different sRNA molecules moved between wheat roots and fungal cells. Once inside the fungal cells, the sRNA switches off important fungal genes. In this case, it was for example a gene that contributes to the production of a protein that helps C. rosea fight harmful fungi.
– The downregulation of the gene suggests that the wheat can control C. rosea's biochemical processes and influence how effective it is as a protection against plant pests. In this case, it may have been more important for the wheat to focus on growth rather than pest control – because there was no pest on the wheat in our study, says Edoardo Piombo.
An enzyme regulates the fungus’ colonization degree
The team also looked at a so-called dicer enzyme that plays an important role in sRNA transport. Dicer enzyme cleaves double-stranded RNA into sRNA. When the researchers produced fungal mutants lacking a dicer enzyme, the colonization of C. rosea on the wheat roots increased. This mechanism thus plays an important role in the regulation of the interaction of the fungus with the wheat roots and it affects both the colonization and the defense mechanisms.
When looking at all the RNA produced, the researchers found that the wheat responds to the beneficial fungus' presence by increasing the activity of genes involved in stress response and defense. At the same time, genes responsible for growth and development were suppressed. This is a well-known trade-off between growth and defense when plants interact with beneficial microorganisms.
– It is very exciting to see how plants and beneficial fungi can communicate in this way. This discovery brings us one step closer to a future where we can develop crops that have stronger defense systems of their own. It would be a perfect way to make biological control organisms more effective and agriculture less dependent on chemical pesticides, concludes Ramesh Vetukuri.
The scientific article
Piombo, E., Vetukuri, R.R., Konakalla, N.C. et al. RNA silencing is a key regulatory mechanism in the biocontrol fungus Clonostachys rosea-wheat interactions. BMC Biol 22, 219 (2024). https://doi.org/10.1186/s12915-024-02014-9
Th study was financed by Formas, Carl Tryggers Stiftelse för Vetenskaplig Forskning and Novo Nordisk Foundation.
Vete kan styra en nyttosvamp för att få bättre växtskydd
För första gången har forskare visat att en gröda, i det här fallet vete, kan styra vad en nyttosvamp gör genom att skicka små RNA-molekyler in i svampcellerna. Det här innebär ett stort steg framåt för forskningen kring miljövänliga bekämpningsmetoder i jordbruket. Forskningen bygger vidare på det banbrytande arbete som belönades med Nobelpriset i fysiologi eller medicin 2024.
Forsningen genomfördes vid institutionen för skoglig mykologi och växtpatologi i Uppsala och institutionen för växtförädling i Alnarp, båda vid SLU. Studien publicerades nyligen i tidskriften BMC Biology.
– Nobelpriset för upptäckten av mikroRNA belyser hur små upptäckter kan få stora konsekvenser. Ambros och Ruvkuns arbete har lagt grunden för en förståelse av genreglering som vi nu tillämpar inom jordbruket. Deras upptäckt är en inspiration i våra ansträngningar att utveckla innovativa lösningar för växtskydd och främja hållbara metoder för framtiden, säger Ramesh Vetukuri, en av SLU-forskarna bakom studien.
Vissa svampar lever som parasiter på andra svampar, och en del sådana arter har börjat användas för att bekämpa skadesvampar som orsakar sjukdomar på grödor. För att kunna förbättra och effektivisera denna typ av biologisk bekämpning försöker forskare vid SLU få en djupare förståelse för de mekanismer som är inblandade.
I detta arbete har de nu upptäckt en helt ny mekanism för hur växter och svampar kommunicerar. Upptäckten gjordes i studier av vete och svampen Clonostachys rosea – en parasitsvamp som kan angripa vetets skadesvampar och som därmed kan användas som biologiskt bekämpningsmedel. Dessutom har den här nyttosvampen egenskaper som främjar tillväxt hos vete.
Kommunikationen visade sig ske med små RNA-molekyler, sRNA, som rör sig från veterötterna in i svampcellerna där de sedan reglerar viktiga gener i svampen. Vetet kan alltså stänga av, eller ”släcka”, en gen som påverkar en viss egenskap hos svampen. Det här är den allra första studien där sRNA-molekyler har visats transporteras från en växt till en biologisk bekämpningsorganism.
– Det här innebär ett stort steg framåt för forskningen kring miljövänliga bekämpningsmedel i jordbruket. Om vi i framtiden kan påverka hur sRNA-molekylerna skickas kan vi utnyttja det till att optimera vårt växtskydd inte bara i vete utan också i andra grödor, säger Mukesh Dubey.
Vetet styr hur effektivt svampens försvar ska vara
Forskarna använde både mikroskopi och molekylära metoder för att demonstrera hur två olika sRNA-molekyler rörde sig mellan veterötter och svampceller. Väl inne i svampcellerna släcker sRNA:t ut viktiga svampgener. I det här fallet handlade det bland annat om en gen som bidrar till produktionen av ett protein som hjälper C. rosea att bekämpa skadesvampar.
– Nedregleringen av genen tyder på att vetet kan styra C. roseas biokemiska processer och påverka hur effektiv den är som skydd mot växtskadegörare. I det här fallet kan det ha varit viktigare för vetet att satsa på tillväxt i stället för bekämpning av skadegörare – eftersom det inte fanns någon skadegörare vid vetet i vår studie, säger Edoardo Piombo.
Ett enzym reglerar svampens koloniseringsgrad
Teamet tittade också på ett så kallat dicer-enzym som spelar en viktig roll vid sRNA-transporten. Dicer-enzym klyver dubbelsträngat RNA till sRNA. När forskarna tillverkade svampmutanter som saknade ett dicer-enzym ökade koloniseringen av C. rosea på veterötterna. Den här mekanismen spelar alltså en viktig roll i regleringen av svampens interaktion med vetets rötter och det påverkar både koloniseringen och försvarsmekanismerna.
När man tittade på allt RNA som producerades visade det sig att vetet svarar på nyttosvampens närvaro genom att öka aktiviteten hos gener som är inblandade i stressrespons och försvar. Samtidigt dämpades gener som ansvarar för tillväxt och utveckling. Det här är en välkänd kompromiss mellan tillväxt och försvar när växterna interagerar med nyttiga mikroorganismer.
– Det är jättespännande att se hur växter och nyttosvampar kan kommunicera på det här sättet. Den här upptäckten tar oss ett steg närmare en framtid där vi kan utveckla grödor som har starkare egna försvarssystem. Det skulle vara ett perfekt sätt att göra biologiska bekämpningsorganismer mer effektiva och jordbruket mindre beroende av kemiska bekämpningsmedel, avslutar Ramesh Vetukuri.
Den vetenskapliga artikeln
Piombo, E., Vetukuri, R.R., Konakalla, N.C. et al. RNA silencing is a key regulatory mechanism in the biocontrol fungus Clonostachys rosea-wheat interactions. BMC Biol 22, 219 (2024). https://doi.org/10.1186/s12915-024-02014-9
Studien finansierades av Formas, Carl Tryggers Stiftelse för Vetenskaplig Forskning och Novo Nordisk Foundation.
Topics
Species
