Белая плесень, вызываемая грибным возбудителем Sclerotinia sclerotiorum, наносит ущерб урожаю подсолнечника, а также может поражать картофель, сою и другие культуры, в тяжелых случаях уничтожая 100% урожая.
Команда исследователей из Университета Колорадо в Боулдере предположила, что сообщества микроскопических организмов вокруг корней растений, микробиомы, играют важную роль в контексте защиты подсолнечника от склеротиниоза. Исследование опубликовано в журнале Molecular Ecology и включало в себя тепличные опыты, а также полевой эксперимент, который ученые провели с использованием различных сортов подсолнечника, ДНК которых они извлекли и секвенировали, пишет Блейк Пашер в релизе университета.
Двадцать растений каждого сорта подсолнечника были выращены на одном поле, которое, как ожидали исследователи, содержало микробы, враждебные к патогену Sclerotinia. Некоторые растения были инфицированы, а другие нет, что было необходимо для того, чтобы отличить микробы, имеющие отношение к исследованию, и те, которые воспользовались гибелью тканей, вызванной Sclerotinia.
В тепличном эксперименте подсолнухи выращивали в почве, взятой из той же среды, что и в полевом эксперименте, половина которой была стерилизована для удаления микробов. Если бы подсолнечники, выращенные в стерильной почве, были менее устойчивы, это показало бы, что микробы придают устойчивость к болезням.
Ученые установили, что 42 типа микробов связаны с устойчивостью к склеротиниозу и очень важны, поскольку зараженные растения в стерильной почве погибли на 19 дней раньше, чем их собратья.
Далее, численность основных микробов была связана с генетическими характеристиками различных растений, и исследователи обнаружили, что определенные гены соответствуют повышенной численности микробов.
Все это говорит о том, что разные сорта подсолнечника генетически адаптировались, чтобы увеличить количество полезных микробов в близлежащей почве и тем самым улучшить свою устойчивость к белой плесени, пришли к выводу авторы работы. Поскольку связь между растением и микробом является генетической, она может передаваться по наследству, и, следовательно, эту устойчивость можно культивировать путем селекции, среди других методов.
До начала исследования было неясно, какое влияние микробные сообщества оказывают на устойчивость растений к болезням, говорит Нолан Кейн, доцент кафедры экологии и эволюционной биологии Калифорнийского университета в Боулдере и известный исследователь подсолнечника.
«Люди имеют очень сложную иммунную систему, которая может постоянно распознавать новые белки. У растений совершенно другая иммунная система, которая часто упрощается до одного гена, обнаруживающего патоген. Если белок патогена представляет собой версию гена, можно обнаружить, то растение будет устойчивым, но если подходящего совпадения нет, растение будет восприимчивым. В отличие от иммунной системы человека, иммунная система растений не ведет учет каждого микроба, с которым они боролись. Вместо этого они распознают молекулярные закономерности, связанные с болезнями, с помощью специализированных рецепторов. Каждый тип рецептора может взаимодействовать только с молекулами определенной формы, которые подходят друг к другу, как части головоломки. Как только этот контакт установлен, рецептор сигнализирует о защитной реакции», - поясняет он.
В случае с подсолнечником, который изучали Кейн и его коллеги, по крайней мере, в отношении склеротинии, дела обстоят сложнее. «Это случай, когда мы действительно думали, что микробиом или какой-то другой компонент окружающей среды могут играть важную роль», — говорит Кейн. Как обнаружили исследователи, четыре типа бактерий тесно коррелируют с устойчивостью подсолнечника к грибному патогену, что позволяет предположить, что их интуиция была верной.
Однако Кейн говорит: «Существовало много микробов, которые коррелировали друг с другом, а это означает, что эффект мог быть результатом деятельности всего сообщества, а не только этих четырех типов бактерий, которые называются операционными таксономическими единицами (OTU). Четыре, которые мы выделили, наиболее сильно коррелируют с устойчивостью к патогенам, но по отдельности ни один тип не оказался значимым в связи с заболеванием, поскольку многие из этих микробов не очень хорошо растут сами по себе или ведут себя по-другому, когда их культивируют самостоятельно».
Ученые установили, что чем больше этих четырех бактерий было в почве вокруг растений, тем лучше они действовали против Sclerotinia sclerotiorum. Итак, как растения могут использовать эти бактерии и какое это имеет отношение к генетике растений?
Оказывается, растения могут культивировать сообщество полезных микробов в области почвы вокруг своих корней, известной как ризосфера.
«В целом, растения могут выделять соединения, которые либо подавляют определенные микробы, либо способствуют их росту», — объясняет Кейн. Фотосинтез, процесс, который растения используют для преобразования света в полезную энергию, производит множество молекул углеводов, таких как сахара и крахмалы.
По этой причине, говорит Кейн, «многие из их взаимодействий с микробами связаны с сахарами или углеводами, выделяемыми растениями, и растения получают выгоду, получая обратно азот или что-то еще, что им нужно».
Растения имеют схожие симбиотические отношения с грибами, которые им выгодны. Азот — лишь один пример преимуществ, которые растения получают от своих симбиотических отношений. «В проведенном нами исследовании мы не знаем, обязательно ли это один и тот же механизм, но вполне вероятно, что существуют какие-то корневые выделения, которые формируют микробиом. Это один из ключевых механизмов, которые используют растения», - сказал Кейн.
То, как растения взаимодействуют с микробами в ризосфере, зависит от их генов. По этой причине исследователи смогли связать четыре типа бактерий с очень специфическими частями генетического кода подсолнечника.
Исследование имело и другие важные результаты. Оно показало, что четыре из 40 изученных образцов подсолнечника устойчивы к Sclerotinia даже без защиты полезных бактерий. В стерилизованной почве они показали себя хуже, чем в почве с бактериями, но их результаты были значительно лучше, чем в других образцах.
«Это может быть своего рода способность реагировать на патоген защитным образом, — говорит Кейн. - Мы пока не знаем, будет ли это полезным объектом для разведения, потому что могут быть компромиссы, или он может иметь ограниченный защитный эффект или вообще не иметь его в нормальных условиях. Тем не менее, это показывает, что вся история — это не только микробы. Существует важный компонент, даже если он и меньший, связанный с присущей растениям генетикой».
Исследование вызвало дополнительные вопросы о затратах и выгодах симбиоза с микробами, молекулярных механизмах, ответственных за вариации симбиоза, и значимости взаимодействия между генотипом и факторами окружающей среды.
Кейн говорит, что он и его коллеги-исследователи тестируют некоторые из этих линий в более разнообразных средах по всей территории США и пытаются определить, являются ли эти микробные ассоциации очень общими для широкого спектра сред или они очень специфичны только для одной среды.
Поскольку эти исследования проводятся на фермерских полях, исследуемые растения не будут подвергаться воздействию патогенов. Вместо этого исследователи сосредоточатся на связях растений с микробами, говорит Кейн.
«Наблюдение этих генетических эффектов в одной среде на стольких разных микробах было действительно захватывающим, потому что это предполагает, что подсолнечники, которые мы использовали в этом исследовании, имеют некоторые интересные вариации, которые могут быть связаны с широким спектром различных признаков, которые мы не рассматривали, но было бы очень интересно посмотреть на это в будущих работах», отметил он.
По словам Кейна, многие сельскохозяйственные культуры потеряли часть своих микробных ассоциаций в результате селекции, а эта работа дает представление о том, как микробные ассоциации могут быть использованы для защиты растений сами по себе. Самый простой способ сделать это — селективно разводить растения по генам, соответствующим увеличению численности полезных микробов в ризосфере.
«Помимо разведения, — объясняет Кейн, — различные методы ведения сельского хозяйства и экологические методы могут способствовать развитию полезных сообществ или препятствовать вредным сообществам. В тех случаях, когда полезных микробов еще нет, применение полезных на полях также может быть важным. Вероятно, это будет комбинация нескольких из этих разных вещей. Некоторые биотехнологические компании уже работают над полезными микробными «смесями» для некоторых культур, которые можно было бы применять на полях или наносить на семена растений».
«Это исследование может, конечно, помочь в селекции подсолнечника, но также предоставляет некоторые фундаментальные научные знания о том, как растения взаимодействуют с окружающей средой и как все сообщество под землей влияет на это взаимодействие», заключил Кейн.
Источник: University of Colorado at Boulder. Автор: Блейк Пашер. Фото: Национальная ассоциация подсолнечника США (National Sunflower Association).
