NIB

Poljščine uspevajo precej pod največjim potencialom, zato je izboljšanje njihovih zmogljivosti ključni korak k zagotavljanju zanesljive in trajnostne preskrbe s hrano. V ta namen moramo razširiti naše razumevanje rastlinskih ekosistemov, ki jih tvorijo združbe mikroorganizmov, kot so bakterije in gljive. Ker obstaja jasna funkcionalna povezava med mikrobi in zmogljivostjo rastlin, je inženiring sintetičnih mikrobnih združb pomembna strategija za razširitev mikrobnih funkcij naravnih rastlinskih ekosistemov. Naš raziskovalni cilj je torej preučiti fitobiom krompirja in izboljšati razumevanje kako mikrobi vplivajo na rast krompirja in odziv na stres. Razvili in uporabili bomo napredne pristope matematičnega modeliranja za preučevanje krompirja in njegovega fitobioma, pri čemer bomo izkoristili obsežne podatke omik. Na podlagi teh modelov in novo pridobljenega znanja bomo oblikovali sintetične združbe ter eksperimentalno potrdili njihovo delovanje in stabilnost na način krožnega načrtovanja, izgradnje, preizkušanja in učenja.

Interakcije med rastlino in mikrobi vključujejo celični metabolizem, niz encimsko kataliziranih reakcij, ki organizmom omogočajo rast, razmnoževanje in odziv na okolje. Za rastline je značilno tudi preklapljanje med rastjo in obrambo prek zapletenih signalnih in regulatornih omrežij, mikrobi pa proizvajajo spojine, ki pozitivno ali negativno vplivajo na rast rastlin in odpornost na stres. Na primer, koristni endofiti, ki kolonizirajo notranja rastlinskih tkiv, so se izkazali za koristne alternative kemičnim pesticidom in gnojilom v poljskih razmerah. Inženiring mikrobnih sintetičnih združb je tako vse bolj priljubljen pristop za razumevanje delovanja in sestave minimalnih funkcionalnih združb, ki vplivajo na delovanje rastlin. Vendar pa je uporaba na terenu pokazala, da sedanje zasnove delujejo le v ozkem razponu pogojev, z nizko robustnostjo v različnih okoljskih pogojih. Da bi izboljšali stanje, domnevamo, da lahko z učenjem iz koristnih simbiotskih interakcij krompirja z endofiti izboljšamo zasnovo združb v smeri večje stabilnosti in učinkovitosti.  Z iskanjem mehanizmov, ki spodbujajo gostitelje in mikrobe, lahko povečamo verjetnost oblikovanja robustnih združb zaradi večje medsebojne podpore z rastlino, kar bo omogočilo razvoj zanesljivih sredstev za zaščito rastlin.

Predlagani projekt je razdeljen na pet delovnih sklopov (DS). Prvi delovni sklop vključuje upravljanje virov in projekta, v DS2 pa bomo pridobili, obdelali in analizirali podatke o rastlinah in mikrobiomih, ki so potrebni za modeliranje. Za natančno preučevanje rasti in obrambe krompirja bomo v DS3 združili več slojev modeliranja, vključno z metabolizmom, signalizacijo in gensko regulacijo, v večdomenski model in vključno s ključnimi tkivi, s čimer bomo vzpostavili 'virtualno rastlino'. V DS4 bomo razviti okvir razširili na modeliranje večvrstnih združb, 'virtualni fitobiom', ki lahko natančno simulira in opiše interakcije med rastlinami in mikrobi. V DS5 bomo na podlagi modelov izdelali prototip postopka za oblikovanje izboljšanih sintetičnih združb.

Predlagani interdisciplinarni sistemski pristop nam lahko pomaga razumeti interakcije znotraj fitobiomov ter načela sestave in delovanja rastlinskih mikrobnih združb. Naša osredotočenost na poljske vrste omogoča neposreden prenos novo pridobljenega znanja na agronomsko pomembne cilje izboljšanja donosa, kakovosti in odpornosti poljščin v terenskih pogojih. Z identifikacijo mikrobov, ki pomembno vplivajo na presnovo in fenotipe, imamo možnosti za razvoj prebojnih strategij za zaščito pridelkov s terensko prilagojenimi odzivi, kar bo prispevalo k trajnostnemu kmetijstvu in bolj zdravim tlom. Projekt tako spodbuja nacionalne, evropske in globalne direktive o prehranski varnosti in trajnosti ter je izrednega znanstvenega, družbenega in gospodarskega pomena.

SICRIS