NC State-teamet använder "vänliga" svampar för att öka grödans motståndskraft

Ett tvärvetenskapligt team av forskare vid NC State ger sig ut på ett ambitiöst treårigt projekt för att identifiera de nyttiga svamparna som finns i fem nyckelgrödor: majs, soja, vete, hampa och switchgrass.

Laget leds av Christine Hawkes, professor vid institutionen för växt- och mikrobiologisk biologi. När de nyttiga svamparna har identifierats kommer teamet att arbeta för att fastställa hur svamparterna hjälper växter att avvärja sjukdomar och tolerera torkastress.

Teamet kommer också att arbeta med verktyg för att upptäcka vilka typer av svamp som finns i ett fält och metoder för att förbättra svampsamhället som finns – som att äta yoghurt för att förbättra din tarmhälsa.

"Vårt övergripande mål är att förbättra växtskyddshanteringen och öka grödans hållbarhet genom användning av nyttiga svampar i växtblad", säger Hawkes, som också är medlem i Mikrobiomer och komplexa mikrobiella gemenskaper Kluster, a Kanslerns fakultets excellensprogram kluster av excellens. "Vi hoppas kunna mildra onödiga skördeförluster till stress som torka och sjukdomar, vilket kommer att hjälpa oss att på ett säkert sätt öka vår matförsörjning och ge världen bättre mat."

Projektet är ett av fyra tvärvetenskapliga projekt som valts ut av NC State's Office of Research and Innovation att ta emot fröfinansiering för att ta itu med de globala utmaningar som jordbruket står inför identifierade av North Carolina Plant Sciences Initiative (NC PSI).

HITTA VÄNLIGA SVAMPAR PÅ FÄLTET

Förra sommaren samlade Hawkes och hennes team prover på svampar som lever i bladen på majs, soja, vete och den potentiella biobränslegrödan.

Använder det officiella sortstestprogrammet som leds av Ryan Heiniger, samlade teamet lövprover från platser över hela staten, både från forskningsstationer och partnerjordbrukarnas fält. De isolerade omkring 3 000 olika svampar från löven, som de för närvarande identifierar.

Nu analyserar Hawkes och hennes team dessa svampar för att avgöra hur arterna varierar mellan sorter, grödor, platser och regioner. Kanske kommer de att upptäcka att vissa svampar bara finns i sojabönor, andra är vanligare i kustområdena, och en tredje grupp är vanlig i fält som plågas av en viss skadegörare. I slutändan kommer denna information att hjälpa dem att bestämma den bästa skalan för interventioner.

Därefter kommer teamet att välja ut några av de svamparter som hittades i fält för deras förmåga att "rädda" växter från sjukdomar eller torka i samarbete med forskare från US Department of Agriculture-Agricultural Research Service Peter Balint-Kurti, Gina Brown-Guedira och Anna Locke.

Inledningsvis kommer de att använda lossnade löv i mikroplattor för att snabbt screena många svampar mot ett litet antal vete- och majspatogener. De som förhindrar patogeninfektion kommer att testas under mer realistiska förhållanden för att se om de skyddar hela växter.

Därifrån kommer de att avgöra vilka svampar som är fördelaktiga och hur de är användbara på molekylär nivå. Till exempel är det känt att vissa svampar producerar växthormoner, medan andra släpper ut antibiotika för att skydda sina värdar. Ross Sozzani, en forskare i växt- och mikrobiologisk biologi, och Cranos Williams, en forskare inom elektro- och datorteknik, kommer att använda beräkningsmodelleringsverktyg för att identifiera de gener som troligen är ansvariga för eventuella observerade fördelar.

"En stor utmaning kommer att vara att förstå de molekylära mekanismerna genom vilka dessa svampar utövar sina gynnsamma effekter," sa Nathan Crook, en forskare vid Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik. "Kunskapen om dessa mekanismer kan inspirera oss att utveckla ytterligare teknologier för att förbättra växtegenskaper, eller kan tillåta oss att identifiera andra nyttiga organismer."

För att möta denna utmaning kommer Crook att samarbeta med Kevin Garcia, en forskare inom Crop and Soil Sciences, för att utveckla CRISPR-verktyg för att manipulera svampgener på ett sätt som förbättrar deras fördelar för växten. Dessa verktyg kan revolutionera vår förmåga att använda svampsymbionter för växtsjukdomar och stresshantering.

En andra del av projektet är fokuserad på att utveckla ett verktyg för att snabbt upptäcka förekomsten av olika nyttiga svampar i ett fält, vilket är avgörande för att använda dessa svampar som verktyg för odling. Denna del leds av Michael Kudenov, forskare vid institutionen för elektro- och datateknik.

Med början i labbet med en bänkmaskin som vanligtvis används för att "fingeravtrycka" olika kemikalier, kommer Kudenov att titta på svamparna - både inuti växtbladen och för sig själva - för att försöka hitta markörer som är specifika för den nyttiga arten.

Förutom att identifiera svampmarkörer kommer teamet att behöva bestämma hur specifika markörerna är för varje svampart och hur mycket svamp som måste finnas i bladet för att kunna upptäckas.

Efter att de har tagit sig an dessa utmaningar kommer Kudenov och hans team att arbeta med att utveckla en bärbar sensor för att detektera nyttiga svampar till fältet och så småningom hjälpa producenter i North Carolina. I samarbete med Josh Gray, en forskare inom Centrum för geospatial analys i College of Natural Resources kommer de att försöka koppla detektering från lövnivå till flygbilder från drönare, vilket kan möjliggöra snabbare och mer omfattande bedömningar.

"Jag har lärt mig mycket mer sedan jag arbetade med forskare från College of Agriculture and Life Sciences än vad jag skulle ha gjort genom att bara stanna i min egen lilla bubbla", säger Kudenov, som också är medlem i big data för bättre sötpotatis GRIP4PSI-projekt. "Också, tvärvetenskaplig forskning som denna ger en unik möjlighet att ge genomslag, särskilt direkt till North Carolina. I det här fallet samverkar vi nära med intressenter och människor som har betydande problem, av vilka många påverkar deras försörjning. Det ger mycket mening."

UTBILDAR INTRESSENTER FRÅN FÄLTET TILL KULLEN

Hawkes och resten av teamet är överens om att det är avgörande för deras projekt att arbeta med odlare, producenter och andra intressenter. Att arbeta med odlare för att fastställa deras behov och utbilda dem om fördelarna med hjälpsamma svampar är faktiskt den tredje delen av projektet.

Lindsey Thiessen, en forskare och förlängningsspecialist vid institutionen för entomologi och växtpatologi, kommer att leda denna del tillsammans med Ryan Heiniger.

Till en början kommer Thiessen och Heiniger att fokusera på att utbilda förlängningsmedel genom regelbunden majs-, soja- och veteträning. Eftersom NC Cooperative Extension-agenter arbetar i hela North Carolina, levererar forskningsbaserade lösningar direkt till bönder, är det viktigt att utbilda dem om de nyttiga svamparna som lever inuti växtbladen.

"För träning kan jag ta med några växter som har behandlats och några som inte har behandlats," sa Thiessen. ”Eller så kanske jag tar med mikroskop och odlingsplattor för att ge dem en uppfattning om hur svamparna ser ut. Även om de är mikroskopiska är det vanligtvis ganska kul att titta på en fluffig svamp på en tallrik.”

Förutom de praktiska demonstrationerna och fram och tillbaka konversationer med agenterna kommer Thiessen och hennes team att producera faktablad för att göra informationen tillgänglig. Och allt eftersom GRIP4PSI-projektet fortskrider kommer hon att kunna demonstrera behandlade och obehandlade fält och förklara hur de nyttiga svamparna kan appliceras på kommersiella fält. Även om forskningen fortfarande är i ett tidigt skede, föreställer sig GRIP4PSI-teamet att nyttiga svampar kan appliceras på fält under plantering, eller som en behandling som appliceras på ett fält efter behov för sjukdoms- eller stresskontroll.

Covid-19-pandemin och osäkerheten om huruvida träningar ansikte mot ansikte, fältdagar och varumöten kommer att hållas som vanligt i år får teamet att ompröva hur de kan nå agenter, odlare och andra intressenter.

"Eftersom covid-19 fortsätter att vara ett bekymmer, kommer mycket av den information vi delar inte nödvändigtvis att vara vid möten ansikte mot ansikte utan kommer att vara genom videor eller genom Zoom-möten," sa Heiniger. "Jag tror att det kommer att vara vår dominerande form av kommunikation tills vi har ett vaccin eller något förändras."

CALS fakultet och Extension specialister har redan varit framgångsrika virtuella fältdagar, webbseminarier och otaliga telefonsamtal.

Förutom att engagera sig med förlängningsagenter, odlare och jordbrukssamhället, planerar projektgruppen också att engagera sig med politiker, tillsynsmyndigheter och allmänheten.

"Den andra utmaningen kommer att vara kommunikation med allmänheten, inte bara jordbrukssamhället," sa Theissen. ”Vi måste kommunicera bra med allmänheten om fördelarna och långsiktig hållbarhet med att använda dessa svampar. Och vi får inte glömma de reglerande grupperna och politikerna. Lyckligtvis har vi redan träffat intressentgrupper för att prata om deras intressen och deras oro med vårt projekt, så vi har börjat tidigt.”

Jason Delborne, en forskare med Genteknik och Samhällscentrum och College of Natural Resources, kommer att leda ansträngningarna att bedöma den allmänna opinionen och analysera den potentiella regleringsvägen för tekniker för att introducera nyttiga växtsvampar till grödor.

Detta tvärvetenskapliga projekt finansieras av GRIP4PSI såddfinansieringsprogram, baserat på NC State Office of Research and Innovation's 2016 Game-Changing Research Incentive Program (GREPP). Det nya programmet leds av Office of Research and Innovation i samarbete med åtta NC State colleges och kontor. GRIP4PSI är tänkt att stödja visionära idéer inom växtvetenskapen som kommer att resultera i storskalig finansiering, meningsfull inverkan för framtida forskning och förstklassig tvärvetenskaplig forskarutbildning.

VÅR INTERDISCIPLINÄRA FORSKNING LEVERERAR LÖSNINGAR I VERKLIGA VÄRLDEN.

Detta inlägg var ursprungligen publicerad i College of Agriculture and Life Sciences News.

Ursprunglig artikelkälla: WRAL TechWire