Принцип холобионта – целостного суперорганизма растений и микробиоты - ставит сложные взаимодействия между растениями и почвенным микробиомом в основу новой селекции сельхозкультур. В сочетании с технологиями, такими как машинное обучением, это позволит создавать новые сорта пшеницы – естественные биологические ингибиторы нитрификации.
Подробнее об этой концепции изложено в статьях коллектива исследователей под руководством Вольфрама Векверта из Венского университета, которые были опубликованы в журналах Plant Biotechnology и Trends in Plant Science.
Обеспечение продовольствием быстро растущего населения планеты на устойчивой основе представляет собой значительную проблему. К 2050 году, по прогнозам, сельскохозяйственное производство во всем мире увеличится на 70%, чтобы обеспечить достаточным продовольствием и питанием 9 миллиардов человек.
Азот (N), важнейший макроэлемент, составляет 1–5% от общего сухого веса растений. В результате сельское хозяйство в значительной степени зависит от азотных удобрений для максимизации урожайности.
Однако азотное удобрение — это «палка о двух концах», которая обеспечивает продовольственную безопасность для большей части человечества, одновременно оказывая негативное воздействие на окружающую среду. В глобальном масштабе азот является крупнейшим источником закиси азота (N 2 O), мощного (примерно в 300 раз превышающего потенциал глобального потепления углекислого газа) и долгоживущего парникового газа. Таким образом, во многих сельскохозяйственных системах используется слишком много азота, и необходимо предпринять меры для снижения загрязнения окружающей среды.
В настоящее время одной из потенциальных стратегий сокращения потерь азота является сдерживание процесса нитрификации путем применения синтетических ингибиторов нитрификации. К ним относятся такие соединения, как дициандиамид, 3,4-диметилпиразолфосфат и 2-хлор-6-(трихлорметил)пиридин (нитрапирин). Эти ингибиторы могут продлить время удержания аммонийного азота в почве, что повышает эффективность использования азота. Однако они могут иметь ряд недостатков, включая высокие затраты на синтез и негативное воздействие на здоровье почвы, например, быть токсичными для нецелевых микробов в почве, что приводит к непреднамеренным изменениям функций почвы.
Биологические ингибиторы нитрификации (biological nitrification inhibitors (BNI)) демонстрируют многообещающий потенциал для снижения потерь азота в процессе нитрификации.
Явление, называемое «биологическим ингибированием нитрификации», относится к естественной способности некоторых растений подавлять нитрификацию почвы путем выделения вторичных метаболитов из корней. Поэтому ключевым шагом на пути к внедрению BNI в сельскохозяйственную практику является понимание роли корневых выделений и связанных с ними метаболомов в регуляции потоков азота в почве.
Корневые экссудаты злаков рода Brachiaria продемонстрировали самую высокую способность к синтезу BNI, но сорго (Sorghum bicolor) находится на переднем крае среди сельскохозяйственных культур по способности к синтезу BNI. Почва при этом должна быть заселена аммиакокисляющими микроорганизмами, которые бы также удерживали азот. Корневые экссудаты растения выделяют метаболиты в ризосферу, оказывая ингибирующее действие на процесс нитрификации в почве и контролируя привлечение полезной микробиоты, усиливающей рост растений и эффект.
Выявление признаков биологического ингибирования нитрификации у азототребовательных культур, таких как пшеница, является ключом к повышению устойчивости. Ориентация одомашнивания сельскохозяйственных культур только на урожайность снизила полезную симбиотическую связь между растениями и их микробиомами, что привело к более высокой зависимости от удобрений. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), в 2022 году мировая потребность в азотных удобрениях для сельского хозяйства составила около 190 миллионов тонн. К сожалению, 50–80% этих удобрений теряется в окружающей среде при внесении, поскольку современные системы земледелия характеризуются низкой эффективностью использования азота.
В одном исследовании команды ученых под руководством Вольфрама Векверта из Венского университета была использована комбинированная платформа ГХ и ЖХ-МС для определения метаболома корневых экссудатов 44 различных генотипов пшеницы из Индии и Австрии. При наличии более 6000 метаболических признаков были обнаружены выраженная генотип-специфическая вариабельность, четкая географическая закономерность и неожиданная сложность метаболома корневых экссудатов. Был разработан новый высокопроизводительный анализ с использованием различных аммиакоокисляющих бактерий и архей для быстрого тестирования BNI, подчеркивающий различные возможности ингибирования и даже стимуляции роста между генотипами.
Сетевой анализ и передовой машинный и глубокий анализ обучения выявили комбинации 32 метаболитов, связанных с высокой активностью BNI, включая фенилпропаноиды, синапиновую кислоту, сиреневую кислоту и другие, а также гликозилированные флавоны изошафтозид и другие. Это указывает на то, что одновременное присутствие специфических метаболитов, а не одного соединения, стимулирует ингибирование нитрификации в ризосфере.
Различия в активности BNI среди генотипов пшеницы, классифицируемых как яровые или озимые типы, позволяют предположить, что архитектура корня модулирует динамику корневой экссудации и потенциал ингибирования нитрификации. Уникальное сочетание высокопроизводительного метаболомного анализа и ускоренного анализа BNI позволяет проводить скрининг больших коллекций зародышевой плазмы в качестве необходимого требования для внедрения BNI и связанных с ним признаков в современные селекционные программы.
Во второй статье исследователи предлагают подробный рабочий процесс для установления молекулярного и механистического понимания холобионта микробиома растений для решения насущных вопросов, таких как достижение более высокой эффективности использования азота у элитных линий пшеницы и здоровых почв в направлении более естественной агроэкосистемы.
Холобионт - это целостный «суперорганизм» растений и микробиоты, определяемый мутуалистическими, симбиотическими и патогенными ассоциациями и динамическими реакциями на условия окружающей среды. Холобионт также был описан как концепция в эволюции.
«Поэтому мы предлагаем более подробно исследовать естественную генетическую изменчивость холобионта. Концепция холобионта включает генотип растения-хозяина, его эндофиты и основной резервуар микробного разнообразия и активности в ризосфере и филлосфере. Соединения, которые привлекают и выбирают предпочтительную микробиоту, присутствуют в корневых экссудатах, внося основной вклад в процессы, которые способствуют селективной микробиоте для органов растений как над землей, так и под землей. Например, генетика пшеницы (Triticum aestivum L.) влияет на микробную сборку ризосферы, включая разнообразие сообществ простейших, бактерий и грибов, что, в свою очередь, влияет на минерализацию и нитрификацию почвы. Микробиота филлосферы связана с ростом растений посредством фиксации N2, биосинтеза различных фитогормонов и защиты растений от патогенных вторжений. Преобладание микробных сообществ в филлосфере сохраняется, что позволяет предположить, что они специфичны для растений и имеют значительные агрономические последствия», подчеркивают авторы статьи.
Источники: Plant Biotechnology Journal, Trends in Plant Science.
Arindam Ghatak et al, Natural variation of the wheat root exudate metabolome and its influence on biological nitrification inhibition activity, Plant Biotechnology Journal (2025). DOI: 10.1111/pbi.70248
Wolfram Weckwerth et al, Natural variation of the holobiont for sustainable agroecosystems, Trends in Plant Science (2025). DOI: 10.1016/j.tplants.2025.05.006