Новое исследование роли микробных сообществ на листьях растений показывает, что внесение удобрений может сделать их более восприимчивыми к болезням.
Калифорнийского университета в Беркли биологи обнаружили, что опрыскивание помидоров микробами из здоровых помидоров защищало их от болезнетворных бактерий, но предварительное удобрение томатов сводило на нет защиту, приводя к увеличению популяции патогенных микробов на листья растений.
Хотя исследователи еще не знают, действительно ли повышенное количество плохих бактерий на листьях вызывает болезни томатов, исследование ясно показывает, что удобрения выводят из равновесия сообщество микробов на листьях. Это потенциально может позволить болезнетворным организмам проникнуть в растение.
«Когда мы меняем питательную среду, в которой находятся растения, мы коренным образом изменяем взаимодействие растения и микробиома, а также, что важно, опосредованную микробиомом защиту естественных взаимодействий растений и микробов», - сказал старший автор Бритт Коскелла. доцент кафедры интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли.
Эффект удобрения был не единственным сюрпризом исследования, сказал Коскелла. Она и соавтор Морин Берг, аспирант, исследовали, как плотность микробного сообщества на листьях влияет на устойчивость растений к болезням, и обнаружили, что более низкая доза полезных микробов, распыляемых на листья, часто более эффективна для защиты. растения от заражения, чем более высокие дозы. Берг опрыскивал листья искусственным микробным сообществом, состоящим из 12 видов бактерий, взятых из естественного микробиома здоровых помидоров.
«Мы обнаружили, что наиболее защищенное сообщество было самым разбавленным, наименее концентрированным, с самой низкой дозой», - сказала она. «Это было совершенно неинтуитивно. Средняя доза давала среднюю защиту, а самая высокая доза была наименее защитной».
Пробиотики для растений
Причины неясны, но результаты важны, потому что органические фермеры говорят об опрыскивании сельскохозяйственных культур пробиотиками для улучшения роста и защиты от болезней, точно так же, как люди потребляют пробиотики, содержащие «хорошие» микробы, в надежде на улучшение их здоровье.
«Тот факт, что мы видели этот эффект более низкой дозы и более высокой защиты, предполагает, что это не так просто, как просто добавить больше микробов», - сказал Коскелла. «Предстоит проделать большую работу, чтобы понять, как применять растительный пробиотик».
Она и Берг сообщат о своих выводах в печатном выпуске журнала Current Biology от 6 августа; статья будет размещена в сети 26 июля.
Коскелла фокусируется на надземных микробиомах растений, или филлосфере, плохо изученном сообществе по сравнению с хорошо изученным подземным микробиомом, связанным с корнями растений, ризосферой. Исследователи обнаруживают неожиданную активность внутри филлосферных микробов, в том числе то, что некоторые из бактерий фиксируют азот из воздуха, подобно корневым бактериям. Многие исследования показали, что микробные сообщества в корнях могут способствовать поглощению растениями питательных веществ, росту и устойчивости к болезням, и Коскелла изучает, справедливо ли это и для надземного микробиома..
Ее эксперименты имеют отношение к проблеме обработки сельскохозяйственных культур пробиотиками и могут помочь ответить на такие вопросы, как: Какая смесь бактерий является правильной для данного растения? Как лучше всего применить этот правильный микс?
Чтобы исследовать эти вопросы, Коскелла и Берг начали с отбора проб естественных микробов листьев здоровых помидоров, выращенных на открытом воздухе в Калифорнийском университете в Дэвисе.
Затем они распылили смесь на стерильные растения томатов в камерах для выращивания в Калифорнийском университете в Беркли, а через неделю ввели в листья бактерии Pseudomonas syringae, которые вызывают пятнистость томатов, серьезную проблему, которую лечат пестицидами. Новое микробное сообщество на помидорах действительно защищало растения от колонизации патогенами, хотя микробные сообщества, полученные с одних томатных полей, работали лучше, чем микробиомы с других полей.
«Это филлосферное микробное сообщество, очень похожее на нашу собственную кожу, является первой линией защиты от болезней, поэтому мы ожидали увидеть защиту, хотя и не знали наверняка», - сказал Коскелла.
Искусственные микробные сообщества
Удивительно, но когда они варьировали концентрацию микробов, распыляемых на листья, они обнаружили, что во многих случаях низкие дозы работали лучше, чем высокие.
Чтобы выяснить причину, они построили искусственное микробное сообщество, состоящее из 12 видов, встречающихся на естественных растениях - в основном, 12, которые лучше всего росли в культуре. Когда они опрыскивали помидоры различными дозами синтетического сообщества, они получили тот же результат: низкие разбавленные дозы были более эффективными в защите от Pseudomonas, чем высокие концентрированные дозы.
Берг повторила эксперимент, чтобы подтвердить загадочные выводы, но во время одного последующего испытания она решила сначала удобрить поникшие растения. В этом испытании ни одна из доз микробиома не защищала от Pseudomonas. Когда они повторили испытание с внесением удобрений и без них, они подтвердили, что внесение удобрений отменяет ранее наблюдавшиеся защитные эффекты.
В каждом эксперименте они оценивали защиту от патогенов, записывая относительную популяцию Pseudomonas по сравнению с другими, в основном полезными микробами, поскольку здоровый микробиом должен эффективно конкурировать с патогеном и сбивать его уровень до низкого уровня.
Коскелла подозревает, почему удобрение изменяет микробиом, и первое место среди них занимает возможность того, что питательные вещества делают листья более здоровыми, что делает все микробы счастливыми и устраняет необходимость в том, чтобы хорошие микробы побеждали плохих микробов. Сейчас она и ее группа проводят эксперименты, чтобы проверить эту гипотезу.
Они до сих пор понятия не имеют, почему лечение пробиотиками в низких дозах работает лучше, чем в высоких дозах, но надеются, что будущие исследования смогут решить эту загадку и помочь найти правильное применение пробиотиков в сельском хозяйстве.
Тем не менее, Коскелла и Берг сказали, что воздействие удобрений на микробиом листьев и стеблей должно побудить биологов изучить влияние удобрений на микробиом корней, а также на общее состояние здоровья растения.
«Мы так долго удобряли сельскохозяйственные культуры, что меня удивило бы, если бы мы еще не видели последствий длительного удобрения для того, как растения взаимодействуют с их микробами», - сказала она.«Есть много исследований, которые показывают, что микробные сообщества одомашненных растений, как правило, сильно отличаются от их диких родственников».
Большие вопросы заключаются в том, влияет ли это на общее состояние растения и почему?