Случайный эксперимент открыл новые возможности почвенного микробиома

 

Некоторые открытия происходят случайно.

Давайте вспомним о том, что произошло 28 сентября 1928 года: Александр Флеминг вернулся в лабораторию после отпуска с семьей и начал разбирать грязные чашки Петри. «Лицо», выросшее в одной чашке, привлекло внимание ученого - и так началась история первого в мире антибиотика: пенициллина.

Недавно в Университете штата Делавэр, США, растения остались без полива в течение долгого уик-энда, что привело ученых к интригующим выводам, которые особенно важны для засушливых регионов Земли, таких как американский Запад, Европа, Австралия, части Африки, Юго-Восточной Азии и Южной Америки.
 
Климатологи говорят, что в предстоящие годы мы должны ожидать более частых и суровых засух, в то время как эксперты по населению прогнозируют 30-процентное увеличение населения мира до более чем 9 миллиардов к 2050 году. Как мы будем выращивать достаточное количество пищи для всех в условиях изменения климата? Согласно этому исследованию, ответ может лежать прямо под нашими ногами.
 
Вернемся к эксперименту. Появившись в лаборатории утром, ученые обнаружили, что один поднос с рассадой был полон увядшим растениями, в то время как растения на другом подносе выглядели бодро. 
 
Единственное различие между лотками состояло в следующем: почва в подносе с процветающими образцами была обработана Bacillus subtilis (UD1022), штаммом бактерий, обнаруженном несколько лет назад в Университета Делавэра группой исследователей во главе с профессором Харшем Бейсом из Отдела растений и почв.
 
Команда Бейса определила, что эти микробы, которые живут на поверхности корней и в окружающей почве, способны заставлять закрываться поры на листьях, называемые устьицами, чтобы растение могло защититься от патогенов и от обезвоживания. Узнав об открытии команды Бейса, профессор Янь Цзинь, специалист по почве, решила «копнуть грубже» и узнать, могут ли микробы воздействовать на почву, в которой они обитают.
 
«Существует большой пробел в нашем понимании того, как доброкачественные микробы могут влиять на так называемую «зеленую воду»- воду в почве, доступную для растений», - пояснила Цзинь. 
 
Она хотела знать, может ли UD1022 изменять свойства почвы - ее структуру, химию и другие параметры по отношению к «зеленому водоснабжению». Она хотела точно знать, что происходит в почве, и попыталась найти ответ.
 
В статье, недавно опубликованной в журнале «Исследования водных ресурсов», Цзинь  и ее университетская команда из вместе с коллегами из Национального института стандартов и технологий (NIST) подтвердили, что полезный микроб UD1022 уменьшает испарение и повышает способность почвы удерживать воду. Используя самые современные методы, исследование дает подробный анализ того, как микробы взаимодействуют с частицами почвы, чтобы физически изменить подземную экосистему и помочь растениям перенести засуху.
 
Эксперименты проводились как в лаборатории Университета Делавэра, так и в NIST с использованием технологии мощной нейтронной визуализации. 
 
В закрытой окружающей среде ученые одновременно работали с двумя образцами почвы - контрольным образцом и образцом, обработанным микробами UD1022, - непрерывно измеряли характеристики удержания влаги почвой и скорость испарения воды, поскольку почва высушивалась в камере. 
Эксперименты проводились для различных текстурированных почв: песка, песчаной почвы и богатых глиной образцов, взятых с университетской фермы и с сельскохозяйственной экспериментальной станции в Джорджтауне, штат Делавэр.
 
Чтобы определить, что происходит в образцах почвы, команда использовала возможности нейтронной рентгенографии в NIST. «Нейтроны могут «видеть» воду», - говорит Цзинь.  - «Поскольку они сильно взаимодействуют с водородом, то обеспечивают идеальный метод для изучения распределения воды в деликатных материалах, таких как образцы почвы, содержащие микробы, в режиме реального времени».
 
Крошечные цилиндры заполнили почвой - одна такая крошечная колонка обрабатывалась микробами UD1022, а другая не обрабатывалась. Затем колонны были насыщены водой, а нейтронные изображения регистрировали процесс испарения. Всего по каждому образцу было получено 1500 индивидуальных изображений примерно за девять часов. Ученые подробно рассмотрели распределение воды в образцах, а также динамику испарения в реальном времени. Мощный сканирующий электронный микроскоп помог выявить, что микробы делали в образцах.
 
микробиом
 
Боковые изображения контрольного образца почвы (слева) и справа образец почвы, обработанный микробами UD 1022. Образцы были насыщены водой, а нейтронные изображения регистрировали испарение в течение примерно девяти часов. Синий и зеленый указывает на содержание воды в почве. Образец, обработанный микробами, был явным победителем в удержании воды.
 
И как эти крошечные организмы (UD1022) помогают почве удерживать воду? «Этот эффект вызван способностью микробов образовывать желатиновую сеть, биопленку из сложной смеси полисахаридов, белков, липидов, витаминов и сахаров», - сказала Цзинь. - «Как будто бактерии строят эти маленькие домики для себя».
 
Биопленка, которую генерируют бактерии, действует как клей, образуя «почвенные агрегаторы», которые могут удерживать больше воды.
 
микробиом
 
Макрофотография частиц песка, обработанных микробными наночастицами, - «склеены» вместе.
 
«Эти микроорганизмы и их клеящая матрица могут впитывать воду, как губка, поглощая в 10 раз больше воды, чем их сухой вес», - говорят ученые. - «Эта естественная биопленка изменяет свойства почвы, что приводит к более медленному испарению и может сделать больше влаги доступной для растений, что важно в условиях засухи».
 
В то время как большая часть Восточного побережья США не имеет проблем с дождями, а осень там приходит рано, другие американские регионы, да и другие страны, страдают от постоянных, а в некоторых случаях и угрожающих жизни, засух. Цзинь надеется, что UD1022 может сыграть позитивную роль в сельском хозяйстве в этих засушливых регионах, поскольку глобальное население растет.
 
«Что мы можем сделать для обеспечения продовольственной безопасности?» - рассуждает Цзинь. - «Растения могут быть генетически модифицированы, но это занимает много времени. Компании продают биоудобрения для решения этих проблем - иногда они работают, но чаще всего нет. 
Вот почему более фундаментальные исследования имеют решающее значение, чтобы помочь нам понять механизмы работы почвы. Понимая взаимодействие между корнями растений и микробиомом почвы - в значительной степени неиспользуемым подземным ресурсом - мы надеемся разработать новые технологии, которые увеличат производство продуктов питания и в то же время уменьшат использование химических удобрений».
 
Исследование получило внешнюю поддержку от фондов Министерства сельского хозяйства США (USDA).
 
(Источник: www.udel.edu).