Ученые впервые смогли воссоздать точную 3D-модель взаимодействия корней, тончайших нитей грибницы (гиф) микоризы и спор в реальной почве. Это улучшает понимание того, как использовать симбиоз микоризы и сельхозкультур для противодействия засухе.
Симбиоз между растениями и грибами необходим большинству растений. Грибные структуры, известные как микориза, расширяют площадь, с которой растения могут получать воду и питательные вещества из почвы. В свою очередь, растения снабжают грибы углеводами, образующимися в процессе фотосинтеза. В сельском хозяйстве этот союз играет роль природного ускорителя роста и защитника растений. Хотя важность этого симбиоза известна уже несколько десятилетий, ранее исследователи не имели возможности изучать подземную сеть в ее естественной структуре.
Разработанный новый метод основан на синхротронной компьютерной томографии. Эта техника позволяет визуализировать мельчайшие структуры, которые часто не видны при использовании обычных методов КТ. Растения выращиваются в «корзине», что позволяет извлекать их из почвы вместе с окружающим материалом, не повреждая корневую систему.
Затем из множества проекционных изображений образца высокого разрешения реконструируется трехмерная модель, которая позволяет увидеть корни растений, гифы грибов и споры грибов в их естественной среде. «С помощью разработанного нами нового метода мы открыли „черный ящик“ в исследованиях растений», — говорит профессор Мутез Али Ахмед, глава кафедры взаимодействия корней и почвы в Техническом университете Мюнхена.
Предыдущие методы визуализации требовали очистки корней от окружающей почвы. При этом терялись тонкие структуры и пространственные связи между растениями и грибами. Новый метод впервые позволяет изучать всю сеть в ее естественной среде. По словам исследователей, экспериментальные результаты могут быть применены и к растениям вне лабораторных условий.
Работа опубликована в журнале New Phytologist.
«Чем лучше мы понимаем микоризу и ее связь с корнями растений, тем эффективнее мы сможем использовать этот симбиоз. Теперь мы можем точно видеть, как растения и грибы взаимодействуют в почве, и, например, наблюдать, какие микоризные сети особенно эффективны в снабжении растений водой и питательными веществами. В долгосрочной перспективе это может помочь нам разработать способы повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к засухе и другим последствиям изменения климата», — говорит Анри Браунмиллер, ведущий автор публикации.
Нити грибницы (гифы) микоризы в сотни раз тоньше капилляров корня. Они разрастаются на метры вокруг, создавая огромную подземную сеть. Это позволяет растению впитывать в 10–100 раз больше влаги и минералов. Климатические изменения ведут к длительным периодам без дождей, что губит урожай. Развитая сеть гиф способна добывать микроскопические остатки влаги из мельчайших пор почвы, куда корень физически не пролезет. Растения с микоризой переносят засуху значительно легче.
С микоризными грибами успешно сотрудничают около 80–90% всех растений на планете, включая большинство ключевых сельскохозяйственных, садовых и лесных культур.
В реальной почве активнее всего вступают в симбиоз, отвечая приростом урожайности (от 30% до нескольких раз) и повышением иммунитета, зерновые и технические культуры (кукуруза, пшеница, ячмень, рис, подсолнечник, соя), пасленовые и тыквенные: (томаты, сладкий и острый перец, баклажаны, огурцы, кабачки, арбузы), бобовые (горох, фасоль, нут, чечевица, люцерна) и многолетние виноград, яблоня, груша, цитрусовые (лимон, апельсин), косточковые (слива, персик).
Источник: Technical University Munich. Автор фото: Ян Янс, научный фотограф и специалист по визуализации пресс-службы Мюнхенского технического университета (TUM).