Работая с грибом Metarhizium robertsii, уничтожающим насекомых, энтомологи из Университета Мэриленда обнаружили, что штаммы, способные поставлять растению питательные вещества более активно, быстрее убивают насекомых и эффективнее заселяют корни растений. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Между грибом Metarhizium robertsii и культурными растениями существует уникальный взаимовыгодный бартер, который ученые называют «трехсторонним соглашением» (растение – гриб – насекомое).
Гриб находит в почве насекомое-вредителя (например, личинку жука), заражает его и полностью съедает изнутри. Тело насекомого — это богатейший источник азота и белка. Гриб прорастает тончайшими нитями (мицелием) от погибшего насекомого к корням ближайшего растения. Через корни гриб отдает растению добытый из насекомого азот. Взамен растение подкармливает гриб сахарами и органическими кислотами, полученными в процессе фотосинтеза. Но оказывается так было не всегда. Активную жизненную позицию занимают относительно новые штаммы гриба.
«В своем исследовании мы сначала ожидали увидеть компромисс — что становление лучшим партнером для растений произойдет за счет снижения эффективности в уничтожении вредителей, или наоборот. Вместо этого эти две способности повышаются и понижаются одновременно, и их связывает лежащая в основе гибкость гриба в отношении питательных веществ», — говорит ведущий автор исследования Раймонд Сент-Леджер, заслуженный профессор энтомологии в Университете Мэриленда.
Исследователи объединили геномный анализ восьми штаммов M. robertsii, охватывающих эволюционное древо вида, с лабораторными тестами, измеряющими вирулентность, колонизацию корней растений, активность токсинов и рост на 95 различных питательных средах. Они выбрали для изучения M. robertsii, потому что этот вид уже используется во всем мире в качестве природного биологического средства борьбы с насекомыми-вредителями и все чаще исследуется на предмет его способности стимулировать рост сельскохозяйственных культур.
Сент-Леджер и научный сотрудник-энтомолог доктор философии Хуэйю Шэн обнаружили, что штаммы разделились на две отдельные группы.
Грибные штаммы, отделившиеся на раннем этапе (по крайней мере, 6 миллионов лет назад), вели себя как «спящие». Они медленно убивают насекомых, но направляют ресурсы на размножение внутри хозяина и производство огромного количества спор, что позволяет им выживать до встречи с другим хозяином.
Грибные штаммы, отделившиеся от родительских форм сравнительно недавно, ведут себя гораздо активнее. Они быстро прорастают как на насекомых, так и на корнях растений, быстро убивают, часто выделяют парализующие токсины и растут в виде ползучих нитей от мертвых насекомых к близлежащим корням, а не образуют споры.
Ключевое различие между этими двумя стратегиями грибов заключалось в метаболической широте — диапазоне питательных веществ, которыми мог питаться каждый штамм. Грибы, способные расти на более широком спектре сахаров, аминокислот и органических кислот, неизменно оказывались более эффективными как в заражении насекомых, так и в колонизации корней растений.
Результаты нового исследования позволяют рассматривать некоторые энтомопатогенные грибы как в целом «экологически компетентные» организмы, чья способность атаковать насекомых и взаимодействовать с растениями обусловлена одним и тем же набором питательных веществ. Полученные данные представляют собой полезную модель для понимания того, как микроорганизмы развивают способность менять свои экологические роли.
«Вместо того чтобы заставлять грибы выбирать между уничтожением насекомых и взаимодействием с растениями, эволюция, по-видимому, отдала предпочтение штаммам, которые просто лучше используют любые доступные им ресурсы. Их универсальность начинается с метаболизма», — сказал Сент-Леджер.
Данное исследование также имеет практическое значение для сельского хозяйства и может помочь ученым в выборе штаммов грибов, адаптированных для различных сельскохозяйственных целей.
Штаммы грибов с широким спектром метаболизма могут обеспечить быстрое подавление насекомых-вредителей, одновременно колонизируя корни сельскохозяйственных культур и способствуя росту растений в поле. Напротив, штаммы грибов, производящие большое количество спор, могут лучше подходить для более длительного контроля вредителей.
«Полученные нами знания могут помочь более эффективно использовать грибные патогены в защите растений», — заключил Сент-Леджер.
Источник: University of Maryland. Автор: Дженнифер Холланд. На фото: муха, покрытая энтомопатогенным грибом Metarhizium robertsii. Автор фото: Раймонд Сент-Леджер.
