Kasvien mikrobit ja ihmisen terveys. Raija Tahvonen Luonnonvarakeskus MicrobeChain: Susanna Rokka, Minna Kahala, Lucia Blasco

Transkriptio

1 Kasvien mikrobit ja ihmisen terveys Raija Tahvonen Luonnonvarakeskus MicrobeChain: Susanna Rokka, Minna Kahala, Lucia Blasco

2 Von Hertzen et al Mistä mikrobit tulevat ihmiseen?

3 Epidemiologiset tutkimukset Leenders et al. Fruit and Vegetable Consumption and Mortality. European Prospective Investigation Into Cancer and Nutrition American Journal of Epidemiology Am J Epidemiol. 2013;178(4): Inverse associations were stronger for raw than for cooked vegetable consumption. These results support the evidence that fruit and vegetable consumption is associated with a lower risk of death. Oyebode et al. Fruit and vegetable consumption and all-cause, cancer and CVD mortality: analysis of Health Survey for England data J Epidemiol Community Health 2014;68: Further investigations into the effects of different types of fruit and vegetables are warranted. MIKSI KUUMENTAMATTOMAT KASVIKSET (ML MARJAT JA HEDELMÄT) OVAT TEHOKKAITA?

4 Maailma on mikrobien Sekä kasvit että ihmiset/kaikki eläimet ovat metaorganismeja, eli elävät vuorovaikutuksessa mikrobien kanssa Bakteerit Virukset Bakteriofagit Sienet Arkeonit Alkueläimet Yleensä metaorganismissa on noin 10* enemmän mikrobisoluja kuin kasvi- tai eläinsoluja (? - kyseenalaistettu)

5 Ihmisen mikrobistot Suolisto Suu (yli 1000 bakteerilajia) Iho (kuivat alueet, kosteat alueet, rasvoittuvat alueet ) Limakalvot Muut kudokset Elimistön eri osissa erilaiset mikrobistot Yksilöiden väliset erot suuria / perimä (ja epigenomi)

6 Kasvien mikrobistot Mistä peräisin Siemenet Maa, vesi, ilma, lanta ja muut lannoitteet Missä Juurien, varsien, lehtien jne pinnat (epifyytit) Solukoiden sisäiset (endofyytit) Ihmisen kannalta kasvien mikrobit voivat olla joko hyödyllisiä tai haitallisia Laji-, lajike- ja jopa kantaspesifisiä Muokkaavia tekijöitä Ympäristö Ilmasto Viljelytapa Jalostus

7 Mitter et al Microbial Biotechnology 9, Kasveillakin on perus/ydinmikrobisto (microbial hub (Agler et al. 2016)) Compant et al. Plant Soil (2016) 405:1 11

8 Mikrobien merkitys kasveille Aktivoivat itämistä ja kasvua (kasvien hormonit) Edistävät ravinteiden saantia Aktivoivat kasvien tauteja ja tuholaisia torjuvia mekanismeja Tuottavat itse suojaavia molekyylejä ja aktivoivat kasvit tuottamaan niitä Edistävät abioottisen stressin sietoa Lämpötila (kylmyys, kuumuus) Kuivuus Suolat Parantavat kasvien kuntoa (adaptogeenit)

9 Mikrobien merkitys kasveille Mikrobit tuottavat osan lääkekasvien bioaktiivisista yhdisteistä tai ärsyttävät kasvit tuottamaan niitä Uusia antibiootteja? Mikrobit muokkaavat kasvien fenotyyppiä ja epigenomia => vaikuttavat esim. kylmän, kuivuuden ja suolojen sietoon jne Intiaanien maissit Voivat myös aiheuttaa tauteja epäsuotuisissa oloissa (patobiontit)

10 Kasvien mikrobien merkitys ihmiselle (Graf et al. 2016) Kasvisten vaikutusta mikrobistoon on tutkittu vasta vähän Raaoissa kasviksissa ja hedelmissä mikrobeja log CFU/g Pilaajia (e.g. Erwinia carotovora), patogeeneja (e.g. Listeria monocytogenes), hyödyllisiä (e.g. maitohappobakteerit) Hedelmissä enimmäkseen sieniä ja homeita Kasviksissa enimmäkseen bakteereita, aerobisia (e.g. pseudomonads, enterobacteria ja coryneforms)

11 Kasvien mikrobit ihmisen ruoansulatuskanavassa Pintojen mikrobit: ihmisen rs-kanavassa useita tuhoamissysteemejä (Sigal & Meyer 2016, Soto & Round 2016) Mahalaukusta pääsee eteenpäin partikkeleita, joiden koko voi olla jopa 2x2 mm. noin (vehnä) (manteli) solua, joista osa on ehjiä, osa rikkoutuneita (Grundy et al BJN 116: ). Kasvisolun seinämässä oleva kuitukompleksi voi olla todella kestävä osa ei hajoa lainkaan (Grundy et al. 2016) Mikrobit ovat hyvässä suojassa, koska ihmisellä ei ole soluseinämiä hajoittavia entsyymejä

12 Grundy et al BJN 116: Grundy et al. eivät olleet huomioineet endofyyttejä!

13 Kasvien mikrobit ihmisen ruoansulatuskanavassa Osa mikrobeista säilyy elossa koko matkan ruuansulatuskanavassa vaihtuva suolistomikrobisto? Mikrobeilla on monenlaisia keinoja sekä ihmisen tuottamia puolustusmolekyylejä että muiden mikrobien tuottamia puolustusmolekyylejä vastaan (Wexler et al. Human symbionts inject and neutralize antibacterial toxins to persist in the gut. Proc Natl Acad Sci U S A Mar 29;113(13): ) Tarvitseeko ihminenkin jatkuvaa mikrobitäydennystä?

14 Kasviperäisten mikrobien vaikutus suolistossa Suurin vaikutus mahdollisesti ohutsuolessa? Muokkaavat olemassaolevaa mikrobistoa Suora troofinen eli kasvua edistävä ja kuntoa parantava vaikutus Epäsuora vaikutus muokkaavat ihmisen tuottamien molekyylien spektriä (defensiinit, lima, bikarbonaatti ) (yksi mekanismeista mikro/nanovesikkelit (nc-rna, proteiineja, peptidejä, jne Celluzzi & Mazotti 2016) Vaikuttavat usein samoilla mekanismeilla kuin olemassa olevat suolistomikrobit Vaihtavat geenejä olemassa olevien mikrobien kanssa (Brito et al. 2016) Japanilaisten suolistomikrobit hajottavat levien soluseinämiä Antibioottiresistenssigeenit / lääkkeet ja antibiootit maatalouskäytössä

15 Figure 2. Different mechanisms by which ingested bacteria can impact the resident microbiota. First, ingested bacteria may stimulate growth of the resident bacteria by supplying metabolites such as acetate, lactate, and propionate. Through cross-feeding with resident commensal bacteria, this can lead to the production of propionate and butyrate. Some ingested bacteria produce growth factors, including vitamins and exopolysaccharide (EPS). In addition, some strains stimulate carbohydrate metabolism by resident bacteria. Mucin degradation can liberate sugars, amino acids, sialic acids, and sulfate that serve as substrates for the resident commensals. Second, probiotics can directly impact the abundance of pathogens through a decrease in ph resulting from the production of lactate and short-chain fatty acids (SCFA), niche competition, or through EPS and bacteriocins. Finally, some strains may impact the resident bacteria indirectly by interaction with host epithelium and the epithelial immune system. Stimulation of mucin production can also impact mucosa-associated bacteria. Ingested strains may also impact the gut microbiota indirectly through secretory IgA (siga), epithelial structure, and inflammatory pathways that, in turn, impact the resident bacteria. Abbreviation: BSH, bile salt hydrolase. Muriel Derrien, Johan E.T. van Hylckama Vlieg Fate, activity, and impact of ingested bacteria within the human gut microbiota Trends in Microbiology June 2015, Vol. 23, No. 6

16 Saalistajien vaikutus Morca et al Frontiers in Microbiology doi: /fmicb the human microbiome harbors a number of eukaryotic parasites, ranging from unicellular microeukaryotes to multicellular helminths

17 Terve suolistomikrobisto Heiman and Greenway MOLECULAR METABOLISM 5 (2016) 317e320 Mitä monipuolisempi ruokavalio, sitä monipuolisempi mikrobisto ja sitä paremmin mikrobisto sopeutuu muutoksiin Ruokavalio on yksipuolistunut viimeisen 50 vuoden kuluessa Maapallolla kasvaa syötävää kasvia, joista ihmiset yleisesti käyttävät (italialaiset käyttävät yli 50 kasvilajia yleisesti vrt suomalaisten yleisimmät kasvikset) 75 % maailman ruuasta valmistetaan vain 12 kasvista ja viidestä eläinlajista 75 % kasvien geneettisestä vaihtelusta menetetty (satoisat lajikkeet )

18 Kuitu ja mikrobit Mitä monimutkaisempi kuiturakenne, sitä enemmän erilaisia sidoksia sitä useampi mikrobilaji saa oikeanlaista ravintoa monimuotoisuus Mitä monimutkaisempi kuiturakenne, sitä paremmassa suojassa kasvien mukana tulevat mikrobit (ja eksosomit) ovat pitkälle suolistoon Maaperän, kasvien ja ihmisen mikrobien tutkijat yhteistyöhön!

19 Kasviperäiset mikrobit ja prosessointi Fermentaatio Hyödyllisten mikrobien rikastuminen (Josephs- Spaulding et al. 2016) Bioktiivisten yhdisteiden muokkaaminen (Nrf2 aktivaatio) Vähäisempää nykyisin (huom. startterit) Kuumennuskäsittelyt: suuri osa tuhoutuu jo pastöroinnissa, loput steriloinnissa Myös kuolleet mikrobit näyttävät vaikuttavan immuunijärjestelmään, mutta elävien mikrobien metaboliittivaikutus puuttuu

20 Johtopäätöksiä Kypsentämättömien kasvisten (ml. marjat ja hedelmät) terveysvaikutuksista osa on mikrobien aiheuttamia Mitä useampia kasvislajeja ihminen syö, sitä monipuolisemman mikrobiston hän voi saada ravinnosta Maan mikrobisto vaikuttaa kasvien mikrobistoon viljelymaassa pitäisi kasvattaa monenlaisia kasveja

21 ??? Missä kasveissa ihmisen kannalta optimaalisin mikrobisto? Mitkä kasvit kannattaisi aina kypsentää (ja miten tehokkaasti), jotta niiden mikrobit eivät aiheuta haittaa terveydelle? Millainen maaperä ja kasvipeite takaisivat optimaalisen terveyden? Luonnossa liikkuminen ilmeisesti monipuolistaa mikrobistoa!

22 Von Hertzen et al Annals of Medicine, 47:3,

23 kirjallisuutta Agler MT et al Microbial Hub Taxa Link Host and Abiotic Factors to Plant Microbiome Variation. Plos Biology 14: e doi: /journal.pbio Berg et al. The plant microbiome explored: implications for experimental botany. Journal of Experimental Botany DOI /jxb/erv466 Brito IL et al Mobile genes in the human microbiome are structured from global to individual scales. Nature 535:435 Celluzzi A, Masotti A Opinion. How Our Other Genome Controls Our Epi-Genome. Trens in microbiology 24: Compant S et al Editorial special issue: aoil, plant and endophytes. Plant Soil 405:1-11 Gensollen et al How colonization by microbiota in early life shapes the immune system. Science352: Golinska et al. Endophytic actinobacteria of medicinal plants: diversity and bioactivity. Antonie van Leeuenwenhoek 108: Graf et al. Contribution of diet to the composition of the human gut microbiota. Microbial Ecology in Health & Disease 2015, 26: Grundy et al Re-evaluation of the mechanisms of dietary fibre and implications for macronutrient bioaccessibility, digestion and postprandial metabolismbritish Journal of Nutrition (2016), 116, Hardoim et al. The Hidden Word within Plants: Ecological and Evolutionary Considerations for Defining Functioning of microbioal Endophytes. Microbiol Mol Biol Rev 2015 September; 79: Heiman & Greenway 2016 A healthy gastrointestinal microbiome is dependent on dietary diversity. Molecular Metabolism Josephs-Spaulding Human microbiome versus food-borne pathogens: friend or foe. Appl Microbiol Biotechnol (2016) 100: Kennedy et al Microbiome in brain function and mental health. Trends in Food Science &Technology DOI /j.tifs Logan et al. Journal of Physiological Anthropology (2015) 34:9 DOI /s Natural environments, ancestral diets, and microbial ecology: is there a modern paleo-deficit disorder? Part II Mosca et al Gut Microbiota Diversity and Human Diseases: Should We Reintroduce Key Predators in Our Ecosystem? Front. Microbiol. 7:455 Nagai et al. / International Immunopharmacology xxx (2016) xxx xxx Perez-Jaramillo et al. Impact of plant domestication on rhizosphere microbiome assembly and functions. Plant Mol Biol 2015 DOI /s Selosse et al. Microbial priming of plant and animal immunity: symbionts as developmental signals. Trends in Microbiology Sigal & Meyer Coevolution between the Human Microbiota and the Epithelial Immune System Dig Dis 2016;34: Soto & Round 2016 Immunology: You Remind Me of a Microbe I Know. Current Biology 26, R355 R376 Von Hertzen et al. 2015) Helsinki alert of biodiversity and health, Annals of Medicine, 47:3, , DOI: /