Исследование показало, что некоторые микробы, колонизирующие кукурузу, резко меняют свое поведение за пределами лабораторных условий.
Новое исследование подчеркивает важность изучения микробов в их естественной среде обитания, а не полагаться исключительно на лабораторные исследования. Ученые обнаружили, что группа бактерий, обитающих на корнях кукурузы, вела себя совершенно по-разному при выращивании на растении и в лаборатории: тысячи белков изменялись при помещении в естественную среду обитания.
«Исторически мы полагались на эксперименты in vitro и лабораторные исследования, и они по-прежнему очень эффективны. Но я думаю, это хорошее напоминание о том, что то, что вы обнаруживаете в лаборатории, не обязательно будет происходить в реальной среде», — сказала ведущий автор исследования, выполнявшая его в рамках своей диссертации в NC State, Анна Гаррелл. Исследование опубликовано в журнале mSystems.
Для исследования ученые вырастили семь видов бактерий, колонизирующих корни кукурузы, как в лабораторных условиях (in vitro), так и на растении (in planta), чтобы измерить различия в их поведении. Хотя все бактерии вели себя по-разному на растении, конкретные особенности различались от вида к виду.
В состав этого модельного (синтетического) сообщества вошли следующие семь видов бактерий:
Curtobacterium pusillum — переключается на расщепление растительной гемицеллюлозы для питания.Enterobacter ludwigii — растворяет труднодоступные фосфаты, помогая кукурузе их усваивать.Herbaspirillum robiniae — активирует специальные «молекулярные шприцы» для надежного закрепления на корне.Brucella pituitosa — (в некоторых ранних каталогах классифицировалась как Ochrobactrum pituitosum).Chryseobacterium indologenes.Pseudomonas putida — один из самых известных и активно изучаемых видов почвенных бактерий.Stenotrophomonas maltophilia.Эту конкретную комбинацию микробиологов научил собирать ученый Бин Ню со своими коллегами в исследовании 2017 года. С тех пор этот набор штаммов стал «золотым стандартом» — стабильной и предсказуемой моделью для изучения того, как микробы заселяют корни кукурузы.
«Самым большим сюрпризом для нас стало то, что все эти бактерии взаимодействуют с растением совершенно по-разному. Некоторые, достигнув корня, становятся более подвижными и, похоже, активизируют функции, которые помогают им двигаться и плавать. Другие же поступают прямо противоположным образом: прикрепляются к корню и становятся гораздо более неподвижными. Не все бактерии одинаковы, и не все они взаимодействуют с растением одинаково», — сказала Гаррелл.
Микроорганизмы на растении демонстрировали широкий спектр поведения: от активации различных систем секреции до растворения фосфатов и потребления различных сахаров. Масштаб этих изменений в поведении был поразительным, отметил руководитель исследования Мануэль Кляйнер, доцент кафедры биологии растений и микроорганизмов в Университете штата Северная Каролина.
«Сравнивая микробы, растущие на растении, с микробами, растущими вне его, больше всего поразило то, что эти микробы полностью изменили свою программу. Речь идёт не просто о 10 или около того генах, а о тысячах, которые полностью меняются, как только начинают взаимодействовать с растением», — сказал Кляйнер.
Переходя из пробирки на живой корень, бактерии меняли экспрессию от 20% до 60% своих белков и перестроили работу от 1500 до 2100 белков каждая.
Общей чертой было то, что у всех семи видов на растении резко активировались транспортные белки. Это значит, что на корне бактерии начинают усиленно «впитывать» вещества, выделяемые кукурузой. Остальные стратегии поведения были индивидуальны.
Семь бактерий, использованных в исследовании, были выбраны потому, что они постоянно колонизируют растения, имеют известные геномы и, как известно, происходят из корней кукурузы, что делает их надежными для тестирования на растениях и в лаборатории.
В природе вокруг корня растения бушует хаос: там живут миллионы видов грибов, бактерий и вирусов, которые постоянно воюют друг с другом или делят ресурсы. Изучать реакцию бактерии на корень в таком «шуме» невозможно — нельзя понять, из-за чего изменился микроб: из-за самого корня кукурузы или из-за соседа-агрессора.
Используя модельную группу, ученые «отключают» фактор чужого влияния. Они подсаживают к стерильным корням кукурузы только эти конкретные, хорошо изученные виды, чтобы зафиксировать чистый, ничем не искаженный «диалог» между растением и микробами
«Это исследование поможет ученым улучшить наше понимание того, как эти микробы реагируют на свои растения-хозяева. Дальнейшие исследования могут развить эту работу, изучая, как множество микробов взаимодействуют и влияют друг на друга, находясь на растении-хозяине, и как они работают вместе, чтобы колонизировать растения. Это будет важно для разработки реальных продуктов для использования в устойчивом сельском хозяйстве», — сказала Гаррелл.
Ранее ученые пытались создавать полезные бактериальные удобрения (биостимуляторы), тестируя микробов только в лабораториях. Однако на практике такие удобрения часто не работали. Данное исследование наглядно объяснило причину неудачи: в лаборатории бактерии ведут себя совсем не так, как на поле. Понимание того, как именно растение «включает» нужные свойства у каждого конкретного вида бактерий, поможет создавать эффективные и устойчивые биопродукты для экологически чистого сельского хозяйства
Дело в том, что «включение» генов на корне — это не просто бонус, а тяжелая и энергозатратная работа, к которой лабораторные бактерии часто оказываются не готовы. В эксперименте ученые использовали стерильные условия, где были только кукуруза и 7 мирных бактерий. В реальном поле в одном грамме почвы живут миллиарды других микробов. Когда лабораторный организм попадает в почву, местные «дикари» нападают на него. Лабораторная бактерия не успевает одновременно перестроить белки под кукурузу и обороняться от местных агрессивных микробов. В итоге дикие бактерии вытесняют неженку.
Чтобы бактерия включила полезные гены (например, растворение фосфатов), растение должно выделить правильный химический сигнал — определенный сахар или кислоту. В лаборатории или теплице растение здорово и выделяет этот сигнал стабильно. В поле кукуруза может страдать от засухи, жары или плохой почвы. Из-за стресса состав ее соков меняется. Бактерия не получает нужного химического «командного сигнала» и не включает свои полезные свойства, оставаясь бесполезной.
Благодаря этому исследованию, ученые поняли: нужно заранее подбирать такие штаммы, которые перестраивают свои белки минимально и максимально быстро, либо подкармливать их специальными веществами-активаторами прямо во время внесения в почву.
Источник: North Carolina State University. По статье Джои Питчфорд.