В долгосрочном исследовании на протяжении восьми лет ученые фиксировали, как растения пшеницы активно влияют на микробные сообщества, живущие на их корнях и внутри них, и как эти корневые микробиомы меняются со временем в зависимости от таких условий, как засуха и орошение. Эти идеи могут направлять будущие усилия по более эффективному управлению посевами пшеницы в различных условиях окружающей среды.
Микробные сообщества демонстрируют временную динамику, независимо от того, обитают ли они в кишечнике человека, почве или водных системах. Однако лишь немногие исследования изучали временные аспекты микробных популяций в почве в различных временных масштабах, в основном потому, что микробная динамика обусловлена колебаниями температуры и влажности, а также пространственной неоднородностью, которая может маскировать временные изменения.
Исследования, проведенные до настоящего времени, в основном были сосредоточены на природных, а не сельскохозяйственных экосистемах, и большинство из них были основаны на относительно коротких временных масштабах, обычно во время оптимальной микробной активности весной в умеренном климате или на временных эффектах только после ограниченного отбора проб.
Под руководством Тима К. Паулитца из отдела исследований здоровья, генетики и качества пшеницы Службы сельскохозяйственных исследований МСХ США (USDA-ARS) и доктора Ольги Мавроди из Университета штата Вашингтон в Пуллмане, штат Вашингтон, было проведено долгосрочное исследование взаимоотношений пшеницы и корневых микробиомов. Опубликованное в журнале Phytobiomes Journal, исследование объединяет экспертные знания в области фитопатологии , микробиологии и почвоведения.
Используя метод секвенирования ДНК нового поколения, группа проанализировала бактериальные сообщества в ризосфере - почве, непосредственно окружающей корни пшеницы, - и внутри самих корней.
Исследование проводилось в течение нескольких сезонов на исследовательской станции Lind Dryland в центральном Вашингтоне, районе, где ежегодно выпадает всего около 22 см осадков. Сравнивая орошаемые и засушливые участки с течением времени и отбирая образцы растений пшеницы на ключевых стадиях роста, исследователи смогли отследить микробные изменения как в течение одного сезона, так и в течение нескольких лет.
Одним из самых поразительных открытий стало то, насколько активно растение участвует в формировании своих микробных партнеров.
«Растение управляет сборкой и составом микробов на своих корнях, примерно так же, как микробиом кишечника человека определяется тем, что мы едим», - сказала Мавроди.
Этот процесс отбора не случаен - некоторые микробы предпочитают засушливые условия, другие - орошаемые, что подчеркивает сложную и динамичную связь между растениями и жизнью почвы.
«Мы определили сезонную и долгосрочную динамику популяций бактериальных сообществ, связанных с корнями, в течение 8 лет в монокультурной пшенице, выращенной на соседних засушливых и орошаемых участках в регионе с низким уровнем осадков в штате Вашингтон. Растения яровой пшеницы отбирались в разное время в течение вегетационного периода в течение 8 лет, а сообщества ризосферы и эндосферы были охарактеризованы с помощью секвенирования ампликона 16S рРНК. Анализы в течение первых 3 лет выявили роды с отчетливой годовой периодичностью в ответ на условия вегетационного периода. Бактериальное богатство и разнообразие были значительно выше в орошаемой, чем в засушливой пшенице, и в ризосфере, чем в эндосфере, что, по-видимому, обусловлено физиологическим состоянием корня и корневых выделений и/или почвенной водой», - говорит ученый.
В течение 8 лет копиотрофные Proteobacteria и Bacteroidetes (Pseudomonas, Variovorax, Chryseobacterium) поддерживали стабильные популяции, тогда как Actinobacteria уменьшалась в численности независимо от орошения.
Популяции некоторых Bacteroidetes и Proteobacteria (Mucilaginibacter, Sphingomonas, Massilia, Burkholderia) сохранялись или увеличивались в относительной численности в ризосфере засушливых земель, тогда как другие (Rhizobium, Acidovorax, Terrimonas, Hyphomicrobium, Bdellovibrio) увеличивались при орошении.
Напротив, таксоны эндосферы, включая Actinobacteria, уменьшались в относительной численности независимо от орошения, что указывает на то, что созревающий хозяин, а не вода, является основным фактором этих популяций. Эти результаты дают представление о долгосрочной динамике бактериальных сообществ пшеницы в контрастных условиях почвенной влаги и определяют будущие усилия по улучшению урожайности в условиях засухи.
«Наше исследование показывает, что растение не является пассивным хозяином, а скорее играет роль в выборе микробов, которые колонизируют его корни. Ни одно другое исследование не отслеживало эти изменения с таким уровнем детализации в течение столь длительного периода в работающей сельскохозяйственной системе», добавила Мавроди.
В отличие от типичных краткосрочных сельскохозяйственных испытаний, это долгосрочное полевое исследование фиксирует, как микробные популяции развиваются при повторяющихся циклах обработки почвы, посадки и сбора урожая. Оно также предлагает более ясную картину того, как корневые микробиомы адаптируются и перестраиваются в ответ на сезонный и экологический стресс.
Орошение может смягчить негативное воздействие водного стресса на полевые культуры. При орошении урожайность пшеницы увеличилась в два-четыре раза по сравнению с урожайностью, полученной от пшеницы, выращиваемой в засушливых районах. Орошение также может усилить минерализацию органического вещества почвы, что приводит к повышению доступности ресурсов для микробиомов, связанных с почвой и корнями. С другой стороны, выявление микробов, естественным образом приспособленных к условиям засухи, однажды может помочь повысить урожайность и устойчивость пшеницы в регионах с нехваткой воды.
Источник: American Phytopathological Society. DOI: 10.1094/PBIOMES-02-24-0028-R