На здоровье растения влияют не только такие условия, как вода и температура, но и микроорганизмы, которые живут вокруг его корней. Ризосферный микробиом, как известно это микробное сообщество, регулирует доступность питательных веществ для растений из почвы и может влиять на рост растений и урожайность.
Опубликовано 25 июня 2018 года в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), исследователи сообщают о результатах крупномасштабного полевого исследования, которое частично повторяет более ранние испытания по выявлению почвенных микробов, колонизирующих растения. и которые могут быть связаны с определенными чертами. Работа проводилась международной группой под руководством ученых из Института биологии развития им. Макса Планка (MPI), Медицинского института Говарда Хьюза при Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл (UNC) и Корнельского университета. Объединенный институт генома (JGI) Министерства энергетики США (DOE), подразделение Министерства энергетики США по научным исследованиям.
«Это очень большой и тщательный временной обзор микробиоты ризосферы кукурузы», - отметила старший автор исследования Рут Лей из MPI. «Набор данных представляет собой богатый ресурс для почвенных микробиологов и, возможно, селекционеров, как только мы сосредоточимся на микробных признаках, которые мы хотели бы вывести, чтобы уменьшить зависимость от ископаемого топлива в сельском хозяйстве».
Исследование основано на предыдущем исследовании, также опубликованном в PNAS, в котором команда использовала 500 образцов из 27 линий кукурузы, растущих на пяти полях в трех штатах. Все эти образцы были собраны в один момент времени. На этот раз команда собрала около 5000 образцов из подмножества одних и тех же линий кукурузы, растущих только на одном поле в течение всего вегетационного периода. «Масштабирование с 500 до 5000 является сложной задачей для обработки образцов, а биоинформатика также довольно сложна, поскольку у нас было более полумиллиарда последовательностей 16S», - сказал Лей. «Первый автор Тони Уолтерс блестяще справился с этим».
Эта информация позволила команде связать обилие микробных популяций с генотипом растений, а также определить влияние таких условий, как возраст растений и погода. Крупномасштабное полевое исследование позволило им идентифицировать 143 наследственных микроба, вариации популяций которых в образцах частично были обусловлены различиями в генотипе растений. Кроме того, команда определила основной микробиом ризосферы, состоящий из семи операционных таксономических единиц (OTU), все в пределах типа Proteobacteria, обнаруженных в каждом отдельном образце.
«Увеличение масштабов позволило нам понять относительную важность генетики растений, окружающей среды и времени», - сказал Эд Баклер из Корнельского университета, чья команда предоставила экспертные знания по генетике кукурузы и полевым испытаниям.«Мы знали, что каждый из них имеет значение, но это действительно дает представление о том, насколько важен каждый из них».
Работы проводились в рамках пилотных проектов JGI Rhizosphere Grand Challenge с участием кукурузы и модельного растения Arabidopsis. Эти проекты подчеркнули возможности и опыт JGI, которые можно использовать для решения крупных научных задач, поставленных перед Управлением биологических и экологических исследований Министерства энергетики еще в 2010 году.
«Главная цель Rhizosphere Grand Challenge, как она была задумана, заключалась в том, чтобы определить основные факторы состава микробного сообщества в микробных сообществах, связанных с растениями, например, растительный компартмент, тип почвы, возраст растения и генотип растения, - сказала заместитель по пользовательским программам JGI Сюзанна Триндж. «В предыдущей статье использовалось секвенирование 454 пиротегов для демонстрации влияния генотипа растения на структуру микробного сообщества в ризосфере, но не хватало статистической мощности для установления конкретных связей между генотипом и фенотипом. В текущем исследовании использовалось секвенирование тегов Illumina, выполненное в JGI, для более глубокой выборки и гораздо более высокого временного разрешения для улучшения статистического анализа».
Джефф Дангл, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза и профессор биологии Университета Северной Каролины Джона Н. Коуча, был одним из первых разработчиков Rhizosphere Grand Challenge вместе с Тринджем, Леем и Баклером и предложил последнюю мысль о work: «Это еще один пример командной научной работы, вдохновленной защитником проекта», - сказал он. «Первый автор Тони Уолтерс бесстрашно взялся за этот проект и продвигал его вперед. Но без платформы секвенирования JGI 16S и без разработки Робом Найтом и его группой новых вычислительных инструментов для обработки такого огромного набора данных он никогда не был бы завершен.."