В новом исследовании кукуруза и ее родственник гамаграсс экспрессировали особый засухоустойчивый ген в условиях засухи, но только при выращивании с микробами, обладающими «памятью о засухе». Реакция растения на засуху зависела от памяти микробов.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Microbiology, анализируются образцы почв, отобранные по всему штату Канзас, США, чтобы определить важность «эффектов наследия» — или того, как почвы определенного места подвержены влиянию микробов, которые эволюционировали в ответ на определенный климат в этом месте на протяжении многих лет.
«Бактерии, грибы и другие организмы, живущие в почве, на самом деле могут оказывать важное воздействие на такие важные вещи, как связывание углерода, перемещение питательных веществ и то, что нас особенно интересует — наследственное воздействие на растения», — рассказывает соавтор Мэгги Вагнер, доцент кафедры экологии и эволюционной биологии в Университете Канзаса.
«Мы заинтересовались этим, потому что другие исследователи на протяжении многих лет описывали этот тип экологической памяти почвенных микробов, которые каким-то образом помнят прошлое своих предков. Мы посчитали это поистине захватывающим. Это имеет множество важных последствий для выращивания растений, включая такие, как кукуруза и пшеница. Осадки сами по себе оказывают большое влияние на рост растений, но память микробов, живущих в этих почвах, также может играть свою роль», — поясняет исследователь.
По словам Вагнер, хотя ранее уже сообщалось о подобных эффектах, они недостаточно изучены. Более глубокое понимание этих эффектов в конечном итоге может принести пользу фермерам и сельскохозяйственным биотехнологическим компаниям, которые могли бы использовать результаты исследований.
«Мы не до конца понимаем, как работают эффекты наследия. Например, какие микробы задействованы на генетическом уровне и как это работает? Какие бактериальные гены подвергаются влиянию? Мы также не понимаем, как это наследие климата передается через почву микробам, а затем, в конечном итоге, растениям», — сказала она.
Отбирая пробы почв на шести участках по всему Канзасу — от его нижней, более дождливой восточной части до западных Высоких равнин штата, расположенных выше и более сухих, потому что от дождя их закрывают Скалистые горы, — исследователи стремились определить различия в эффектах наследия.
«Это было сотрудничество с командой Ноттингемского университета в Англии. Мы разделили работу, но большая часть эксперимента — фактически, весь эксперимент — была проведена здесь, в Канзасском университете, и в этой работе мы также сосредоточились на почвах из Канзаса», — рассказывает Вагнер.
Вернувшись в Канзасский университет, Вагнер и ее коллеги начали тестировать почвы, чтобы лучше понять последствия воздействия микробов из образцов.
«Мы использовали своего рода старомодный метод, рассматривая микробы как чёрный ящик. Мы выращивали растения в разных микробных сообществах с разной памятью о засухе, а затем измеряли их продуктивность, чтобы понять, что было полезно, а что нет», — сказала она.
Исследователи подвергали микробные сообщества воздействию большого количества воды или ее крайне малого количества в течение пяти месяцев.
«Даже после многих тысяч поколений бактерий память о засухе все еще была заметна. Одним из самых интересных аспектов, которые мы увидели, было то, что эффект микробного наследия был гораздо сильнее у растений, которые произрастали именно в этих местах, чем у растений, которые были привезены из других мест и высажены в сельскохозяйственных целях, но не были местными», — говорит Вагнер.
Хотя для подтверждения этой гипотезы необходимо будет протестировать больше видов растений (исследователи протестировали одну культуру (кукурузу) и одно местное растение (гамаграсс, является близким родственником кукурузы, вырастает более двух метров, засухоустойчив), исследователи считают, что это научное направление перспективно и позволит использовать полезные микробы для повышения урожайности.
«Мы полагаем, что это как-то связано с коэволюционной историей этих растений, то есть гамаграсс в течение очень длительного времени жил с этими же микробными сообществами, а кукуруза — нет. Кукуруза была одомашнена в Центральной Америке и существует в этом регионе всего несколько тысяч лет», — отмечает исследователь.
Кроме того, исследовательская группа провела генетический анализ как микробов, так и растений, чтобы лучше понять на молекулярном уровне, как могут функционировать наследуемые эффекты.
«Ген, который нас больше всего заинтересовал, назывался никотиноаминсинтаза. Он производит молекулу, в основном полезную для растений, позволяя им усваивать железо из почвы, но также, как было установлено, влияющую на устойчивость некоторых видов к засухе. В нашем анализе растение экспрессировало этот ген в условиях засухи, но только при выращивании с микробами, обладающими памятью о засухе. Реакция растения на засуху зависела от памяти микробов, что нас очень заинтересовало», — говорит Вагнер.
Исследователь из Канзасского университета сообщил, что гамаграсс рассматривается как возможный источник генов для улучшения продуктивности кукурузы в сложных условиях.
«Ген, о котором я упоминала ранее, может быть интересен для селекционеров кукурузы. Для биотехнологических компаний, занимающихся микробными добавками к сельскохозяйственным культурам, это даёт подсказки о том, где искать микробы с полезными свойствами. Коммерциализация микроорганизмов в сельском хозяйстве — многомиллиардная индустрия, которая продолжает расти. Одна из особенностей, делающих эту работу ценной, — это её междисциплинарный характер. Мы объединили генетический анализ, физиологию растений и микробиологию, что позволило нам задать вопросы и ответить на них, которые раньше не могли быть решены», — отметила Вагнер.
Источник: University of Kansas.
На фото вы видите поперечный срез корня кукурузы, полученный в ходе исследования. Автор фото: Мэгги Вагнер.