Ученые пытаются снизить зависимость сельского хозяйства от азотных удобрений
За последние десятилетия урожайность существенно возросла, это связано с увеличением использования азотных удобрений. Хотя азотные удобрения способствуют росту сельскохозяйственных культур, они оказывают негативное влияние на окружающую среду и климат, поскольку для их производства требуется большое количество энергии. Многие ученые ищут способы разработки более устойчивых методов, которые поддерживают высокие урожаи при меньших потерях.
«Более устойчивым способом обеспечения азотом сельскохозяйственных культур было бы использование биологической фиксации азота – хорошей практики, разработанной для бобовых культур», — говорит патолог Гари Стейси из Университета Миссури. «Различные разновидности азотофиксирующих бактерий распространены в ризосфере большинства растений . Однако такие бактерии, способствующие росту растений (PGPB), имеют ограниченное применение в качестве инокулянтов в сельском хозяйстве».
Стейси и его коллеги считают, что это ограниченное использование связано с общими проблемами, связанными с использованием биопрепаратов для растениеводства, и переменной эффективностью при применении. Они провели исследования, чтобы получить лучшее понимание метаболической реакции хозяина растения, чтобы уменьшить вариабельность, наблюдаемую при реакции культур на PGPB.
«Одна из проблем, связанных с нашими исследованиями, заключается в том, что в то время как PGPB может колонизировать корни до высокого уровня, места колонизации могут быть сильно локализованы», — сказал Стейси. «Следовательно, изоляция целых корней приводит к значительному разбавлению любого сигнала из-за того, что подавляющее большинство корневых клеток не контактирует с бактериями».
Чтобы решить эту проблему, Стейси и его команда использовали масс-спектрометрию с лазерной абляционной электрораспылительной ионизацией (LAESI-MS), которая позволила им отбирать только те участки, зараженные бактериями, которые они могли локализовать багодаря экспрессии зеленого флуоресцентного белка.
Их результаты показали, что колонизация бактерий приводит к значительным сдвигам в метаболизме растений, при этом одни метаболиты более значительно распространены в привитых растениях, а другие, в том числе метаболиты, указывающие на азот, были уменьшены в корнях, не инокулированных или инокулированных бактериальным штаммом, неспособным фиксировать азот.
«Интересно, что соединения, участвующие в биосинтезе индол-алкалоидов, были более распространены в корнях, колонизированных фиксированным штаммом, возможно, отражая защитную реакцию растений», — говорит Стейси. «В конечном счете, с помощью таких исследований мы надеемся определить молекулярные механизмы, с помощью которых PGPB стимулирует рост растений, чтобы разработать эффективные и последовательные протоколы инокуляции для улучшения урожайности».
Лаборатория Стейси давно интересуется биологической фиксацией азота и взаимодействием растений и микробов в целом. С момента открытия биологической фиксации азота (BNF), лаборатория ставила перед собой цель донести преимущества BNF до таких культур, как кукуруза. PGPB обладают такой способностью в природе, но она не была адекватно отражена для практического сельскохозяйственного производства.
«Мы полагаем, что, в отличие от других лучше изученных взаимодействий, это связано с общим отсутствием информации о молекулярных механизмах, с помощью которых PGPB стимулирует рост растений. Поэтому в наших лабораторных проектах мы стремились предоставить эту информацию, полагая, что такая информация повысит эффективность инокулянтов PGPG с чистым эффектом для увеличения их использования в растениеводстве».
Стейси и его команда с большим удивлением обнаружили, что они не увидели значительного влияния на производство фитогормонов, которое бы тесно коррелировало со способностью PGPB усиливать рост растений. Это говорит о том, что PGPB в большей степени влияет на метаболизм растений, чем предполагалось ранее, указывая, возможно, на более сложные объяснения того, как эти бактерии влияют на рост растений.
Источник: Американское фитопатологическое общество
