С использованием метагеномики ученые заглянули в ризосферу (это зона почвы прямо вокруг корней) холодоустойчивого генотипа кукурузы и обнаружили там природную высокотехнологичную лабораторию. Оказывается, секрет морозостойкости кроется не только в генах самого растения, но и в том, каких «коммунальщиков» оно себе нанимает из почвы.
Кукуруза — одна из важнейших сельскохозяйственных культур в мире для производства продуктов питания, кормов и биоэнергии. Ее высокая и стабильная урожайность играет решающую стратегическую роль в обеспечении глобальной продовольственной безопасности и содействии устойчивому развитию сельского хозяйства.
Однако, будучи теплолюбивой культурой, кукуруза очень чувствительна к низкотемпературному стрессу. Воздействие низких температур на стадии прорастания и всходов сильно подавляет ее рост и развитие, что приводит к значительному снижению урожайности.
Традиционно исследования устойчивости кукурузы к низким температурам были сосредоточены в основном на физиологических, биохимических и молекулярных механизмах реакции. Хотя эти исследования дали плодотворные результаты, реакция ассоциированных с корнями микроорганизмов на холодовой стресс в значительной степени игнорировалась. Накопленные данные свидетельствуют о том, что растения могут активно «привлекать» и «одомашнивать» свои ризосферные микробные сообщества посредством корневых выделений, особенно в условиях абиотических стрессов.
Китайские исследователи взяли два типа кукурузы: холодоустойчивой (генотип B144) и чувствительной к заморозкам (Q319). С помощью метагеномного анализа они просканировали микроскопических обитателей и выяснили, что у холодостойкой кукурузы в корнях обосновался настоящий мегаполис с разнообразными видами.
Главными героями оказались две группы бактерий — Firmicutes (фирмикуты) и Actinobacteria (актинобактерии). В частности, старые добрые Bacillus и Streptomyces. Это не просто квартиранты, а элитный спецназ, который активируется именно тогда, когда столбик термометра ползет вниз.
Но самое интересное — что именно делают эти микробы? Ученые выяснили, что микробная «свита» морозостойкой кукурузы работает по трем направлениям:
Биологический «антифриз»: микробы синтезируют внеклеточные полисахариды. Эта липкая субстанция буквально снижает точку замерзания воды вокруг корней. Пока у обычной кукурузы вода в клетках превращается в лед и разрывает их, «спецназ» B144 держит оборону в жидком виде.Витаминный коктейль: бактерии снабжают корни витаминами и коферментами. Это как если бы вам в мороз дали чашку горячего чая с лимоном и ударную дозу витамина С — метаболизм ускоряется, и растение не впадает в ступор от холода.Антиоксидантный щит: холод вызывает у растений стресс и выброс токсинов. Микробы-помощники вырабатывают антиоксиданты, которые нейтрализуют этот яд в зародыше.У холодочувствительной кукурузы (Q319) всё оказалось скучно. Её микробы занимались только базовыми вещами — «поел-поспал». Никакой сложной защиты, никакого синтеза витаминов. Как только ударил мороз, такая кукуруза остается один на один со стихией, без поддержки своего микробиома.
Ученые считают, что если мы научимся «подселять» правильных микробов к обычным сортам или стимулировать их рост в почве, северная кукуруза будет успешной. Это новая эра в сельском хозяйстве — регулирование микробиома вместо генной модификации.