NC State-teamet bruger 'venlige' svampe til at øge afgrødens modstandsdygtighed

Et tværfagligt team af forskere ved NC State er i gang med et ambitiøst tre-årigt projekt for at identificere de gavnlige svampe, der findes i fem nøgleafgrøder: majs, soja, hvede, hamp og skiftegræs.

Holdet ledes af Christine Hawkes, professor ved Institut for Plante- og Mikrobiologisk Biologi. Når de gavnlige svampe er identificeret, vil teamet arbejde på at bestemme, hvordan svampearterne hjælper planter med at afværge sygdomme og tolerere tørkestress.

Holdet vil også arbejde på værktøjer til at opdage de typer af svampe, der er til stede i et felt, og metoder til at forbedre det tilstedeværende svampesamfund - som at spise yoghurt for at forbedre din tarmsundhed.

"Vores overordnede mål er at forbedre plantesundhedsstyring og øge afgrødernes bæredygtighed gennem brug af gavnlige svampe i planteblade," sagde Hawkes, som også er medlem af Klynge af mikrobiomer og komplekse mikrobielle samfund, a Chancellor's Faculty Excellence Program klynge af ekspertise. "Vi håber at afbøde unødvendige afgrødeudbyttetab til stress som tørke og sygdom, hvilket vil hjælpe os sikkert at øge vores fødevareforsyning og bedre fodre verden."

Projektet er et af fire tværfaglige projekter udvalgt af NC State's Kontoret for forskning og innovation at modtage startfinansiering til at løse de globale udfordringer, som landbruget står over for, identificeret af North Carolina Plant Sciences Initiative (NC PSI).

FINDE VENLIGE SVAMPE I MARKEN

Sidste sommer indsamlede Hawkes og hendes team prøver af svampe, der lever i bladene af majs, soja, hvede og den potentielle biobrændstofafgrøde.

Brug af det officielle sortstestprogram ledet af Ryan Heiniger, indsamlede holdet bladprøver fra steder i hele staten, både fra forskningsstationer og partnerlandmænds marker. De isolerede omkring 3.000 forskellige svampe fra bladene, som de i øjeblikket identificerer.

Nu analyserer Hawkes og hendes team disse svampe for at bestemme, hvordan arten varierer mellem sorter, afgrøder, steder og regioner. Måske vil de opdage, at nogle svampe kun er i sojabønner, andre er mere almindelige i kystområder, og en tredje gruppe er almindelig i marker, der er plaget af et bestemt skadedyr. I sidste ende vil denne information hjælpe dem med at bestemme den bedste skala for interventioner.

Dernæst vil holdet udvælge nogle af de svampearter, der blev fundet i marker for deres evne til at "redde" planter fra sygdom eller tørke i samarbejde med forskere fra US Department of Agriculture-Agricultural Research Service Peter Balint-Kurti, Gina Brown-Guedira og Anna Locke.

I første omgang vil de bruge løsrevne blade i mikroplader til hurtigt at screene mange svampe mod et lille antal hvede- og majspatogener. Dem, der forhindrer patogeninfektion, vil blive testet under mere realistiske forhold for at se, om de beskytter hele planter.

Derfra vil de bestemme, hvilke svampe der er gavnlige, og hvordan de er nyttige på molekylært niveau. For eksempel er det kendt, at nogle svampe producerer plantehormoner, mens andre frigiver antibiotika for at beskytte deres værter. Ross Sozzani, en forsker i plante- og mikrobielbiologi, og Cranos Williams, en forsker i elektrisk og computerteknik, vil bruge beregningsmodelleringsværktøjer til at identificere de gener, der sandsynligvis er ansvarlige for eventuelle observerede fordele.

"En stor udfordring vil være at forstå de molekylære mekanismer, hvorved disse svampe udøver deres gavnlige virkninger," sagde Nathan Crook, en forsker ved Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik. "Kendskab til disse mekanismer kan inspirere os til at udvikle yderligere teknologier til at forbedre planteegenskaber eller kunne give os mulighed for at identificere andre gavnlige organismer."

For at imødekomme denne udfordring vil Crook samarbejde med Kevin Garcia, en forsker i afgrøde- og jordvidenskab, for at udvikle CRISPR-værktøjer til at manipulere svampegener på måder, der forbedrer deres fordele for planten. Disse værktøjer kan revolutionere vores evne til at bruge svampesymbionter til afgrødesygdomme og stresshåndtering.

En anden del af projektet er fokuseret på at udvikle et værktøj til hurtigt at opdage tilstedeværelsen af forskellige gavnlige svampe i en mark, hvilket er afgørende for at bruge disse svampe som værktøjer til afgrødeforvaltning. Denne del ledes af Michael Kudenov, forsker ved Institut for Elektro- og Computerteknik.

Startende i laboratoriet med en bordmaskine, der almindeligvis bruges til at "fingeraftryk" forskellige kemikalier, vil Kudenov se på svampene - både inde i plantebladene og af sig selv - for at forsøge at udpege markører, der er specifikke for den gavnlige art.

Ud over at identificere svampemarkører skal teamet bestemme, hvor specifikke markørerne er for hver svampeart, og hvor meget svamp der skal være i bladet for at blive opdaget.

Efter at de har taklet disse udfordringer, vil Kudenov og hans team arbejde på at udvikle en bærbar sensor for at bringe påvisningen af gavnlige svampe til marken og i sidste ende hjælpe producenterne i North Carolina. I samarbejde med Josh Gray, en forsker i Center for Geospatial Analytics i College of Natural Resources vil de forsøge at koble detektion fra bladniveau til luftbilleder fra droner, hvilket kan give mulighed for hurtigere og mere omfattende vurderinger.

"Jeg har lært meget mere, siden jeg arbejdede med forskere fra College of Agriculture and Life Sciences, end jeg ville have ved blot at blive i min egen lille boble," sagde Kudenov, som også er medlem af big data for bedre søde kartofler GRIP4PSI-projekt. ”Tværfaglig forskning som denne giver også en unik mulighed for at give effekt, især direkte til North Carolina. I dette tilfælde interagerer vi tæt med interessenter og mennesker, der har betydelige problemer, hvoraf mange påvirker deres levebrød. Det giver en masse mening.”

UDDANNELSE AF INTERESSENTER FRA MARKET TIL BAKKEN

Hawkes og resten af teamet er enige om, at samarbejdet med avlere, producenter og andre interessenter er afgørende for deres projekt. Faktisk er det tredje del af projektet at arbejde med avlere for at bestemme deres behov og uddanne dem om fordelene ved hjælpsomme svampe.

Lindsey Thiessen, en forsker og udvidelsesspecialist i Institut for Entomologi og Plantepatologi, vil lede denne del sammen med Ryan Heiniger.

I første omgang vil Thiessen og Heiniger fokusere på at uddanne Extension agents gennem regelmæssige majs-, soja- og hvedetræninger. Da NC Cooperative Extension-agenter arbejder i hele North Carolina, er det afgørende at levere forskningsbaserede løsninger direkte til landmændene, at uddanne dem om de gavnlige svampe, der lever inde i planteblade.

"Til træning kan jeg tage nogle planter, der er blevet behandlet, og nogle, der ikke er blevet behandlet," sagde Thiessen. ”Eller jeg tager måske mikroskoper og kulturplader med for at give dem en idé om, hvordan svampene ser ud. Selvom de er mikroskopiske, er det normalt ret sjovt at se på en luftig svamp på en tallerken.”

Ud over de praktiske demonstrationer og frem og tilbage samtaler med agenterne, vil Thiessen og hendes team producere faktaark for at hjælpe med at gøre informationen tilgængelig. Og efterhånden som GRIP4PSI-projektet skrider frem, vil hun være i stand til at demonstrere behandlede og ubehandlede marker og forklare, hvordan de gavnlige svampe kan anvendes på kommercielle marker. Selvom forskningen stadig er i de tidlige stadier, forestiller GRIP4PSI-teamet sig, at gavnlige svampe kan påføres marker under plantning eller som en behandling på en mark efter behov for sygdoms- eller stresskontrol.

Covid-19-pandemien og usikkerheden på, om der vil blive afholdt ansigt-til-ansigt træning, markdage og varemøder som sædvanligt i år, får naturligvis teamet til at genoverveje, hvordan de kan nå ud til agenter, avlere og andre interessenter.

"Da COVID-19 bliver ved med at være en bekymring, vil meget af den information, vi deler, ikke nødvendigvis være ved ansigt-til-ansigt møder, men vil være gennem videoer eller gennem Zoom-møder," sagde Heiniger. "Jeg tror, det vil være vores dominerende form for kommunikation, indtil vi har en vaccine eller noget ændrer sig."

CALS fakultet og Extension specialister har allerede haft succes virtuelle feltdage, webinarer og utallige telefonsamtaler.

Ud over at engagere sig med udvidelsesagenter, avlere og landbrugssamfundet, planlægger projektgruppen også at engagere sig med politikere, tilsynsmyndigheder og den brede offentlighed.

"Den anden udfordring bliver kommunikation med offentligheden, ikke kun landbrugssamfundet," sagde Theissen. "Vi er nødt til at kommunikere godt med den brede offentlighed om fordelene og den langsigtede bæredygtighed ved at bruge disse svampe. Og vi må ikke glemme de regulerende grupper og politikere. Heldigvis har vi allerede mødtes med interessentgrupper for at tale om deres interesser og deres bekymringer med vores projekt, så vi er startet tidligt.”

Jason Delborne, en forsker med Genteknologi og Samfundscenter og College of Natural Resources, vil lede bestræbelserne på at vurdere den offentlige mening og analysere den potentielle regulatoriske vej for teknikker til at introducere gavnlige plantesvampe til afgrøder.

Dette tværfaglige projekt er finansieret af GRIP4PSI seed-funding-programmet, baseret på NC State Office of Research and Innovation's 2016 Game-Changing Research Incitament Program (GREB). Det nye program ledes af Office of Research and Innovation i partnerskab med otte NC State colleges og kontorer. GRIP4PSI er beregnet til at understøtte visionære ideer inden for plantevidenskab, der vil resultere i storstilet finansiering, meningsfuld effekt for fremtidig forskning og førsteklasses tværfaglige kandidatuddannelser.

VORES TVERDISCIPLINÆR FORSKNING LEVERER LØSNINGER I VIRKELIG VERDEN.

Dette indlæg var oprindeligt udgivet i College of Agriculture and Life Sciences News.

Original artikelkilde: WRAL TechWire