Дослідження вчених покращує розуміння того, як бактерії приносять користь рослинам
Рослини утворюють союзи з мікробами в ґрунті, в якому вони ростуть. Бобові, наприклад, виграють від симбіотичних стосунків із мікробами, які населяють бульбочки на їхньому корінні та "фіксують" азот в атмосфері, щоб зробити його доступним для стимулювання росту бобових. Але чи завжди мікроби корисні для рослин? Чи конкуренція між штамами за доступ до рослин погіршує роботу бактерій?
Група вчених з Каліфорнійського університету в Ріверсайді поставила експерименти, щоб відповісти на ці питання і краще зрозуміти процес конкуренції. Дослідники використовували місцеву каліфорнійську рослину з бульбочками Acmispon strigosus і набір із восьми сумісних азотфіксувальних бактеріальних штамів.
Вони заразили деякі рослини кожним з восьми штамів, щоб безпосередньо виміряти їхню здатність заражати рослини і приносити користь. Потім вони заразили інші рослини парами бактеріальних штамів, щоб оцінити конкурентоспроможність кожного штаму і вплив на продуктивність рослин.
Дослідники виявили, що конкуренція між штамами корисних бактерій у ґрунті знижує якість послуг, які бактерії надають своїм господарям.
Дослідження опубліковано в журналі Current Biology .
"Зокрема, ми виявили міжштамову конкуренцію, яка відбувається в ґрунті до того, як бактерії зможуть заразити рослину, що призводить до того, що менша кількість бактерій колонізує рослину, внаслідок чого рослина отримує меншу користь", - сказав Джоел Сакс, професор еволюції, екології та біології організмів, який очолював дослідницьку групу.
"Щоб зрозуміти симбіоз, ми часто використовуємо стерильні умови, коли один штам бактерій "інокулюється" або вводиться стерильному господареві. Наші експерименти показують, що трохи ускладнення цієї системи - просте використання двох бактеріальних штамів одночасно - докорінно змінює баланс переваг, які отримують господарі, змінюючи наше розуміння того, як працює симбіоз".
Сакс пояснив, що основною проблемою в сільському господарстві є використання послуг, які мікроби можуть надавати сільськогосподарським культурам, сприяючи їхньому стійкому зростанню без екологічних витрат на хімічні добрива. У його лабораторії вивчають ризобії - бактерії, що сприяють росту рослин.
Конкуренція ризобій є давньою проблемою сталого сільського господарства. Ризобії утворюють кореневі бульбочки на бобових, усередині яких бактерії фіксують азот для рослини в обмін на вуглець у результаті фотосинтезу. Виробники давно прагнуть використовувати ризобії для сталого удобрення основних бобових культур, таких як соя, арахіс, горох і стручкова квасоля.
"Можна подумати, що використання ризобій як інокулянтів має дати змогу виробникам звести до мінімуму використання хімічного азоту, який завдає шкоди навколишньому середовищу", - сказав Сакс, завідувач кафедри еволюції, екології та біології організмів. "Але така інокуляція ризобіями рідко буває успішною. Коли виробники інокулюють свої культури високоякісними ризобіями - штамами, що фіксують багато азоту, - ці "елітні" штами програють місцевим ризобіям, які вже перебувають у ґрунті і приносять мало користі господарям або не приносять жодної користі".
У своїх експериментах Сакс і його колеги використовували бактеріальні штами, геноми яких вони вже секвенували. Вони також охарактеризували штами, які варіювалися від дуже корисних до неефективних у фіксації азоту, щоб точно знати, наскільки вони корисні для цільових видів рослин. Дослідники секвенували вміст понад 1100 бульбочок, кожна з яких була отримана з рослини, яку було інокульовано однією з 28 різних комбінацій штамів.
Потім дослідники розробили математичні моделі, щоб передбачити, яку користь отримають рослини, інокульовані спільно, виходячи з очікувань від рослин, які були "клонально інфіковані" (заражені одним штамом). Це дало змогу дослідникам розрахувати дефіцит росту, спричинений конкуренцією між штамами.
"Наші моделі показали, що спільно інокульовані рослини отримали набагато меншу користь від симбіозу, ніж можна було очікувати від клональних інфекцій", - сказав Арафат Рахман, колишній аспірант лабораторії Сакса і перший автор дослідницької роботи. "Хоча корисні бактерії добре працюють у лабораторії, вони програють у природному середовищі. Зрештою, ми хочемо знайти штам бактерій або їхній набір, які приносять максимальну користь рослині-господареві та можуть конкурувати з бактеріальними штамами, що вже перебувають у ґрунті".
Сакс пояснив, що для виявлення і розробки бактеріального штаму, дуже корисного для рослин, вченим необхідно проводити експерименти в дуже чистих умовах.
"Зрештою ми хочемо використовувати корисні бактерії в сільському господарстві", - сказав він. "Щоб ідентифікувати ці бактерії, ми, як правило, додавали один бактеріальний штам до рослини в лабораторії і показували, що рослина росте набагато краще зі штамом, ніж без нього. Однак у польових умовах ця рослина вкрита мікробами, що ускладнює історію. У наших експериментах ми перейшли від використання одного штаму до пари штамів, щоб побачити, який вплив це має на ріст рослин.
Рахман наголосив, що, хоча необхідні експерименти, щоб встановити, наскільки корисним є той чи інший бактеріальний штам, також необхідні експерименти, які перевірять, наскільки цей штам є конкурентоспроможним по відношенню до групи інших бактеріальних штамів.
"Обидва кроки мають вирішальне значення", - сказав він. "Наша робота показала, що деякі з найкращих штамів можуть бути дуже корисними для росту рослин, але як тільки ви об'єднуєте їх з будь-яким іншим штамом, ця перевага значно знижується. Крім того, важливо знати, на якій стадії відбувається конкуренція між штамами: до взаємодії бактерій із рослиною чи після?
Сакс сказав, що в багатьох сучасних експериментальних проєктах основна увага приділяється користі для рослин.
"Однак важливо пам'ятати, що бактерії формуються в результаті природного відбору", - сказав він. "Деякі з них можуть бути дуже конкурентоспроможними під час проникнення в бульби для зараження рослини, але не дуже корисні для рослини, і це може бути рисою, яка перемагає в природі. Якщо ми хочемо використовувати мікробні співтовариства для послуг, які вони можуть надавати рослинам і тваринам, нам необхідно зрозуміти міжштамову динаміку в цих співтовариствах".
За словами Сакса і Рахмана, методи сталого зростання мають стати найважливішим аспектом нового сільського господарства, щоб прогодувати зростаюче населення за обмеженої ресурсної бази.
"Це вимагатиме відмови від методів забруднення, таких як додавання в ґрунт величезної кількості хімічного азоту", - сказав Сакс. "Розуміння того, як ефективно доставляти корисні мікроби цільовому господареві, є центральним завданням у медицині, сільському господарстві та тваринництві. Виявивши, що динаміка між штамами може зменшити переваги симбіозу, наша робота відкрила нові напрямки досліджень для поліпшення стійких методів ведення сільського господарства".
Також читайте:
- В Україні запускають єдиний реєстр агрохімікатів та пестицидів
- Вимоги до складу соків повинні бути проведені у відповідність до європейських норм, - Тарас Висоцький
- Україна продовжить постачати зерно іншим країнам, попри вихід РФ із «зернової угоди» – СтратКом ЗСУ
- Дослідження показує, що етилен підвищує врожайність та енергію рослин