Внедрение грибов в пшеницу увеличило поглощение ею ключевых питательных веществ и может привести к появлению новых, «климатически благоприятных» сортов сельскохозяйственных культур, согласно новому исследованию.
Исследователи из Университета Лидса продемонстрировали партнерство между пшеницей и почвенными грибами, которое можно использовать для выращивания новых продовольственных культур и систем ведения сельского хозяйства, которые в меньшей степени зависят от удобрений, уменьшая их вклад в эскалацию климатического кризиса.
Это первый случай, когда грибы, образующие партнерские отношения с корнями растений, обеспечивают зерновые культуры значительным количеством фосфора и азота. Грибы продолжали обеспечивать питательные вещества при более высоких уровнях углекислого газа (CO2), предсказанных для 2100 года, что имеет важные последствия для будущей продовольственной безопасности.
Результаты были опубликованы сегодня в журнале Global Change Biology.
Ведущий исследователь, профессор Кэти Филд из Школы биологии Университета Лидса и Глобального института продовольствия и окружающей среды, сказала: «Грибы могут стать ценным новым инструментом, помогающим обеспечить продовольственную безопасность в будущем перед лицом климата и экологические кризисы.
"Эти грибы не являются серебряной пулей для повышения продуктивности продовольственных культур, но они могут помочь уменьшить нашу нынешнюю чрезмерную зависимость от сельскохозяйственных удобрений."
Сельское хозяйство вносит основной вклад в глобальные выбросы углерода, отчасти из-за значительных затрат, таких как удобрения. Хотя производство мяса способствует глобальному потеплению гораздо больше, чем выращивание сельскохозяйственных культур, сокращение использования удобрений может помочь уменьшить общий вклад сельского хозяйства в изменение климата.
Древнее партнерство растений и грибов
Большинство растений образуют партнерские отношения с грибами в своей корневой системе, известной как арбускулярная микориза, что позволяет им более эффективно извлекать питательные вещества из почвы. Взамен растения предоставляют грибам углеводы в качестве оплаты, известной как симбиоз.
Растения могут отдавать 10-20% углерода, который они получают из воздуха, своим грибным партнерам в обмен на до 80% необходимого им фосфора. Эти грибы также могут помочь растениям увеличить свой рост, уровень азота, поглощение воды и защитить растение от вредителей и болезней.
Но за последние 10 000 лет культурные растения были одомашнены путем интенсивной селекции, что непреднамеренно помешало некоторым сортам иметь такие тесные отношения с полезными грибами.
Во всем мире пшеница является основной культурой для миллиардов людей, и выращивание пшеницы занимает больше земли, чем любая другая продовольственная культура (218 миллионов гектаров в 2017 году). Несмотря на увеличение применения азотных и фосфорных удобрений для повышения урожайности, количество пшеницы, которое может быть произведено на данной площади, в последние годы достигло стабильного уровня.
Хотя некоторые сорта пшеницы, выращиваемые фермерами, образуют партнерские отношения с полезными грибами, многие этого не делают. Поэтому исследователи из Лидса предполагают, что существует потенциал для выведения новых сортов пшеницы, менее зависимых от удобрений.
Устойчивое производство продуктов питания
Соавтор доктор Том Тиркелл из Школы биологии Университета Лидса сказал: «На протяжении тысячелетий фермеры выращивали сельскохозяйственные культуры для повышения продуктивности и устойчивости к болезням, но это в основном основывалось на том, что можно увидеть над землей.
"Мы начинаем понимать, что у некоторых культур, которые мы одомашнили, отсутствуют эти важные связи с грибами в почве. Наши результаты показывают, что существует реальный потенциал для выведения новых сортов сельскохозяйственных культур, которые восстанавливают эту утраченную связь с полезными грибами, и повысить устойчивость будущих систем производства продуктов питания."
Ученые позволили грибам колонизировать корни трех разных сортов пшеницы в лаборатории и вырастили их в одной из двух камер - либо имитируя нынешние климатические условия, либо прогнозируемые на 2100 год, когда CO2 Прогнозируется, что концентрация в атмосфере удвоится по сравнению с сегодняшней, если выбросы не будут ограничены. Они хотели знать, какие выгоды различные разновидности могут получить от своих грибковых партнеров и как на отношения повлияет увеличение атмосферного CO2
С помощью химической маркировки фосфора и азота в почве и CO2 в воздухе исследователи смогли продемонстрировать, что различные сорта пшеницы поглощают питательные вещества через своих грибковых партнеров., в обоих климатических сценариях.
Как и ожидалось, три сорта пшеницы подверглись разным уровням обмена с грибами, при этом некоторые сорта выиграли от взаимосвязи гораздо больше, чем другие, при одинаковой «стоимости» углеводов.
В частности, сорт пшеницы Skyfall поглощал гораздо больше фосфора из грибов по сравнению с двумя другими сортами, получая в 570 раз больше, чем сорт Avalon, и в 225 раз больше, чем Cadenza.
Не было никакой разницы в обмене фосфора или азота между грибами и пшеницей при более высоком уровне CO2 для любого из трех сортов сельскохозяйственных культур. Таким образом, оказывается, что грибы могут продолжать передавать питательные вещества растениям даже в будущих климатических условиях.
Исследователи предполагают, что можно вывести новые сорта пшеницы, которые более приспособлены к грибковому партнерству. Это может позволить фермерам использовать меньше удобрений, так как это позволит пшенице получать больше необходимых питательных веществ через грибы.
Продолжается дискуссия о том, являются ли грибы чистым положительным или отрицательным фактором для роста зерновых культур, поскольку некоторые данные свидетельствуют о том, что грибы могут действовать как паразиты на своих растениях-хозяевах.
Ранее было предсказано, что более высокие уровни CO2 в атмосфере приведут к тому, что грибы будут получать больше углерода от своих растений-хозяев, но это исследование показало, что это не так. для этих трех сортов пшеницы.
Исследователи рекомендуют провести полевые эксперименты, чтобы понять, воспроизводятся ли положительные эффекты грибов на пшеницу, продемонстрированные в этом исследовании, в условиях фермы.
Это исследование финансировалось Исследовательским советом по биотехнологии и биологическим наукам.