Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики и Калифорнийского университета в Беркли обнаружили, что по мере развития растения создают свой корневой микробиом, отдавая предпочтение микробам, которые потребляют очень специфические метаболиты. Их исследование может помочь ученым определить способы улучшения микробиома почвы для улучшения накопления углерода и повышения продуктивности растений.
«Уже более века известно, что растения влияют на состав почвенного микробиома, частично за счет выделения метаболитов в почву, окружающую их корни», - говорит постдокторант лаборатории Беркли Катерина Жалнина, руководитель исследования. ведущий автор.«Однако до сих пор не было понятно, соответствует ли содержимое этого коктейля, выделяемого растениями, предпочтениям в питании почвенных микробов таким образом, чтобы растения могли направлять развитие своего внешнего микробиома».
Исследование «Динамический химический состав корневого экссудата и предпочтения микробного субстрата определяют закономерности сборки микробного сообщества ризосферы» только что было опубликовано в журнале Nature Microbiology. Соответствующими авторами были ученые из лаборатории Беркли Трент Нортен и Эоин Броди.
Микробы в почве улучшают способность растений поглощать питательные вещества и сопротивляться засухе, болезням и вредителям. Они опосредуют преобразование углерода в почве, влияя на количество углерода, хранящегося в почве или выбрасываемого в атмосферу в виде углекислого газа. Актуальность этих функций для сельского хозяйства и климата наблюдается как никогда ранее.
Всего в одном грамме почвы содержатся десятки тысяч видов микробов. Ученым давно известно, что растения влияют на состав почвенного микробиома в области, окружающей их корни, выделяя химические вещества (метаболиты). Предыдущая работа Мэри Файрстоун, научного сотрудника лаборатории Беркли и профессора микробиологии Калифорнийского университета в Беркли, показала, что растения постоянно отбирали или подавляли одни и те же типы микробов в корневой зоне с течением времени, что предполагает некоторую форму синхронизации между развитием растений и микробиома..
Тем не менее, было проведено мало исследований взаимосвязи между конкретными метаболитами, которые выделяют растения, и микробами, которые их потребляют. В новом исследовании приняли участие эксперты в области почвоведения, геномики микробов и растений, а также метаболомики, чтобы изучить эти потенциальные метаболические связи. В их исследовании внимательно изучалась ризосфера однолетней травы (Avena barbata), распространенной в Калифорнии и других средиземноморских экосистемах.
Лаборатория Беркли почувствовала, что настало время для этого. По мере того, как фермеры вынуждены выращивать достаточное количество здоровых культур для удовлетворения потребностей растущего населения, а также для новых стратегий управления земельными ресурсами, которые улучшают накопление углерода в почве для сокращения выбросов CO2 в атмосферу и создания здоровых почв, микробиом почвы становится предметом более глубоких научных исследований. чем когда-либо прежде.
Исследователи намеревались определить связь между микробами, постоянно расцветающими у корней травы, и метаболитами, выделяемыми растением. Их первым шагом был сбор почвы в Центре исследований и расширения Хопландского университета Калифорнийского университета в северной Калифорнии. Броди, заместитель директора отдела наук о климате и экосистемах лаборатории Беркли, и его группа использовали то, что им было известно об образе жизни этих почвенных бактерий, для разработки специализированных микробных сред для выращивания сотен различных видов бактерий. Затем они выбрали подмножество, которое либо процветало, либо сокращалось по мере того, как корни прорастали сквозь почву.
Эта коллекция микробов была затем отправлена в Объединенный институт генома (JGI) - исследовательский центр Министерства энергетики США, где их геномы были секвенированы, чтобы выяснить, почему их реакции на корни различаются. Этот анализ показал, что ключом к успеху микробов, которые процветали в ризосфере, была их диета.
Нортен, старший научный сотрудник отдела экологической геномики и системной биологии лаборатории Беркли, увлечен химией микробиомов, и его группа разработала передовые экзометаболические подходы на основе масс-спектрометрии для выяснения метаболических взаимодействий между организмами. Жалнина и Нортен объединили свои знания, чтобы определить, что предпочитали есть наиболее успешные микробы, окружающие корни злаков Avena.
Используя гидропонную установку в JGI, они погружали растения на разных стадиях развития в воду, чтобы стимулировать выделение метаболитов, а затем измеряли метаболиты, выделяемые растениями, с помощью масс-спектрометрии. Впоследствии культивируемые почвенные микробы скармливались коктейлю из корневых метаболитов, и исследователи использовали масс-спектрометрию, чтобы определить, какие микробы предпочитают какие метаболиты.
Они обнаружили, что микробы, которые процветали в области вокруг корней растений, предпочитали диету, более богатую органическими кислотами, чем менее успешные микробы в сообществе.
«В начале своего цикла роста растение выделяет много сахара, «конфеты», на которые мы находим многие микробы», - сказал Нортен. «По мере взросления растения оно выделяет более разнообразную смесь метаболитов, включая фенольные кислоты. Мы обнаружили, что микробы, которых становится больше в ризосфере, - это те микробы, которые могут использовать эти ароматические метаболиты».
Броди описывает эти фенольные кислоты как очень специфические соединения, выделяемые растениями на протяжении всего их развития. Фенольные кислоты часто связаны с защитой растений или связью между растениями и микробами. Это указывает Броди на то, что, создавая микробное сообщество в ризосфере, растения могут выделять метаболиты, такие как фенольные кислоты, которые помогают им контролировать типы микробов, процветающих вокруг их корней.
«Мы долгое время считали, что растения формируют ризосферу, наиболее подходящую для их роста и развития», - сказал Броди. «Поскольку в почве так много разных типов микробов, если растения выделяют какое-либо химическое вещество, это может нанести вред их здоровью.
"Контролируя типы микробов, которые процветают вокруг их корней, растения могут пытаться защитить себя от менее дружественных патогенов, одновременно продвигая другие микробы, которые стимулируют поступление питательных веществ."
Жалнина, Файерстоун, Нортен и Броди считают, что их выводы имеют большой потенциал для дальнейшего научного и прикладного исследования. Жалнина отмечает, что в настоящее время правительство и промышленность проводят множество исследований и разработок, чтобы использовать силу микробов, которые улучшают урожайность растений и качество почвы, чтобы помочь удовлетворить растущие потребности общества в устойчивом снабжении продовольствием.
Она сказала: «Удивительно, что мы потенциально можем использовать собственную химию растения, чтобы помочь питать полезные микробы в почве. В частности, рост населения создал потребность в поиске более надежных способов манипулирования почвенным микробиомом для достижения положительного результата».