Рост растений поддерживается миллионами крошечных почвенных микробов, конкурирующих и сотрудничающих друг с другом, выполняя важные функции в корневой системе растения, включая улучшение доступа к питательным веществам и защиту от патогенов. В качестве побочного продукта своего метаболизма почвенные микробы также могут производить закись азота (N₂O), мощный парниковый газ, который в основном изучается в контексте климатических изменений. Хотя некоторое количество N₂O встречается в природе, его производство может резко возрастать из-за внесения удобрений и других факторов. Закись азота, продуцируемая денитрифицирующими псевдомонадами, подавляет рост ризосферных бактерий путем инактивации кобаламин-зависимой метионинсинтазы, выяснили ученые.
Долгое время считалось, что закись азота не оказывает существенного влияния на микроорганизмы, однако, новая статья двух исследователей из Массачусетского технологического института показывает, что она может фактически формировать микробные сообщества, делая некоторые штаммы бактерий более склонными к росту, чем другие.
В корне растения, являющемся очагом микробной активности, понимание влияния таких взаимодействий особенно важно.
На основе распространенности биологических процессов, нарушаемых закисью азота, ученые подсчитали, что около 30% всех бактерий с секвенированными геномами восприимчивы к токсичности закиси азота, что позволяет предположить, что это вещество может играть важную и недооцененную роль в сложных микробных экосистемах, влияющих на рост растений. Результаты опубликованы в журнале mBio. Если полученные в лаборатории данные подтвердятся в сельском хозяйстве, это может повлиять на то, как фермеры будут выполнять повседневные задачи, при которых посевы подвергаются воздействию высоких концентраций закиси азота, такие как внесение азотных удобрений.
«Эта работа предполагает, что на образование N₂O в сельскохозяйственных условиях стоит обращать внимание для здоровья растений. Об этом мало кто знал, но это вещество особенно вредно для некоторых микроорганизмов. Это может стать еще одним негативным фактором, помимо его воздействия на климат. Дальнейшие исследования позволят понять, как время образования N₂O влияет на эти микробные взаимоотношения, и это время можно будет регулировать для улучшения здоровья сельскохозяйственных культур», — говорит ведущий автор Дарси МакРоуз, профессор кафедры развития карьеры им. Томаса Д. и Вирджинии У. Кэбот в Массачусетском технологическом институте, написавшая статью вместе с ведущим автором и аспирантом Филипом Вассоном.
Токсичность закиси азота была доказана несколько десятилетий назад, когда исследователи обнаружили, что она может деактивировать витамин B12 в организме человека.
На ранних этапах использования N₂O в качестве стоматологического анестетика врачи, изучавшие безопасность газа, были обеспокоены побочным эффектом: хроническое воздействие N₂O часто приводило к дефициту кобаламина, кофактора, который в просторечии называют витамином B 12.
Последующие биохимические исследования показали, что токсичность N₂O усиливается реакцией с кобаламин-зависимой метионинсинтазой (MetH), которая повреждает как фермент, так и кофактор.
С тех пор закись азота привлекала внимание в основном как долгоживущий парниковый газ, способный разрушать озоновый слой. Но когда речь заходит о сельском хозяйстве, большинство предполагали, что она не взаимодействует с организмами в почве вокруг корней растений, в области, называемой ризосферой.
«В целом, существует предположение, что N₂O совершенно безвреден, несмотря на многочисленные опубликованные исследования, показывающие, что он может быть токсичен в определенных условиях. Это понимание не было распространено на микробные сообщества в ризосфере. Хотя некоторые исследования показали чувствительность к закиси азота у небольшого числа микроорганизмов, о том, как она влияет на распределение микробных сообществ в корне растения, известно гораздо меньше», — говорит МакРоуз.
МакРоуз и Вассон стремились восполнить этот пробел в исследованиях. Они начали с изучения повсеместного процесса, используемого клетками для роста, называемого биосинтезом метионина. Биосинтез метионина может осуществляться ферментами, зависящими от витамина B12, а также другими ферментами, которые от него не зависят. Многие бактерии обладают обоими типами ферментов.
Используя хорошо изученный микроб под названием Pseudomonas aeruginosa, исследователи генетически удалили фермент, не зависящий от витамина B12, и обнаружили, что микроб стал чувствительным к закиси азота, причем его рост замедлялся даже при использовании закиси азота, которую он производил сам.
Далее исследователи изучили синтетическое микробное сообщество из растения Arabidopsis thaliana и обнаружили, что многие корневые микробы также чувствительны к закиси азота. Сочетание чувствительных микробов с бактериями, продуцирующими закись азота, препятствовало их росту.
«Это говорит о том, что бактерии, продуцирующие N₂O, могут влиять на выживаемость своих ближайших соседей», — объясняет Вассон. В совокупности эксперименты подтвердили подозрения исследователей о том, что производство закиси азота может препятствовать росту почвенных бактерий, зависящих от витамина B12 для производства метионина.
«Эти результаты позволяют предположить, что продуценты закиси азота влияют на микробные сообщества. В лаборатории результат очень очевиден, и работа выходит за рамки простого изучения одного организма. Эксперименты с совместным культивированием не идентичны полевым исследованиям, но это убедительное доказательство», — говорит МакРоуз.
На фермах концентрация закиси азота в почве часто повышается на несколько дней или недель из-за внесения азотных удобрений, осадков, оттаивания и других факторов. Исследователи предупреждают, что их лабораторные эксперименты — лишь первый шаг к пониманию того, как закись азота влияет на микробные популяции в сельскохозяйственных условиях.
Вассон называет эту работу подтверждением концепции и планирует в дальнейшем изучить сельскохозяйственные почвы.
«В сельскохозяйственных условиях концентрация N₂O исторически была высокой, — говорит Вассон. — Мы хотим выяснить, сможем ли мы обнаружить признаки воздействия N₂O с помощью исследований геномного секвенирования, где единственные оставшиеся микроорганизмы не чувствительны к N₂O. Это очевидный следующий шаг».
МакРоуз говорит, что полученные результаты могут открыть исследователям и фермерам новый взгляд на использование закиси азота: «Важно и интересно то, что это исследование предсказывает, что микробы с одной версией фермента будут чувствительны к N₂O, а микробы с другой версией фермента — нет. Это говорит о том, что в окружающей среде воздействие N₂O будет способствовать отбору определенных типов организмов на основе их геномного состава, что является хорошо проверяемой гипотезой».
Источник: Massachusetts Institute of Technology.