Почвенные микробы помогая растениям справляться с засухой — помогают себе

К такому выводу пришли ученые Университета Иллинойса в Урбан-Шампейне на основании нового иследования.

У нас под ногами сложный мир, изобилующий разнообразной и взаимозависимой жизнью. Растения подают химические сигналы во время стресса, вызывая микробы, которые могут высвобождать связанные питательные вещества и находить воду в порах почвы, слишком маленьких для самых тонких корней. Взамен микробы получают безопасное место для жизни или сладкий напиток.

Это классический сценарий «ты почешешь мне спину, а я почешу твою». За исключением случаев, когда это не так. Новое исследование Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне бросает вызов общепринятому мнению и показывает, что свободноживущие почвенные микробы просто заботятся о себе.

В эксперименте с участием нескольких поколений исследователи из Колледжа сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук (ACES) обнаружили, что микробы помогают растениям справляться с засухой, но не в ответ на крики растений о помощи. Вместо этого среда сама отобрала для засухоустойчивых микробов. И пока эти выносливые микробы делали свое дело, они также сделали растения более устойчивыми к засухе.

«Это было неожиданностью, потому что я ожидал увидеть доказательства коэволюции и мутуализма между микробами и растениями. Я думаю, что люди, в том числе и я, забывают, что только потому, что микробы делают что-то адаптивное или полезное для растения, это не обязательно означает, что они делают это для растения», — сказал Кевин Рикс , завершивший проект в рамках своей докторской диссертации. степень в Программе экологии, эволюции и биологии сохранения в Иллинойсе. Сейчас Рикс работает докторантом в Университете Торонто.

Чтобы узнать, как микробы помогают растениям справляться с засухой, Рикс создал живые почвенные сообщества в горшках с растениями или без них. Половину горшков он хорошо полил, а в другой половине установил засушливые условия, а затем повторил эти процедуры в течение трех поколений. Идея заключалась в том, чтобы дать время для отбора — потенциально для того, чтобы растения сигнализировали о своей потребности в помощи и отбирали микробы, которые пришли им на помощь.

На втором этапе эксперимента Рикс все перемешал. Он снова выращивал растения в почве из первой фазы и сохранял те же режимы полива, но некоторые растения теперь испытывали засуху в почвах, которые хорошо поливались на протяжении поколений, и наоборот. Он ожидал, что почвенные микробы из исторически сухих горшков адаптируются к этим условиям, помогая растениям выдерживать засуху лучше, чем микробы из исторически влажных горшков. И вот что он обнаружил: растения, переживающие засуху, были крупнее, если выращивались с адаптированными к засухе микробами.

Но — и это главное — это было верно для почв, выращенных с растениями или без них на первом этапе. Другими словами, микробы со временем адаптировались к засухе даже без того, чтобы растения отбирали их с помощью химических сигналов. Тем не менее, они по-прежнему приносили пользу при выращивании с растениями поколениями позже. Это было доказательством того, что эти микробы занимались своими делами, лишь случайно помогая растениям.

Никакие предыдущие исследования по этой теме не включали контроль без растений, в результате чего исследовательское сообщество пришло к выводу, что растения и микробы общались в коэволюционном диалоге.

«Наши результаты бросают вызов классическому представлению о том, что считается взаимной выгодой. Микоризы и азотфиксирующие бактерии — это своего рода модельные системы, которые люди изучают, когда говорят о мутуализме. Но есть и более нечеткий набор взаимодействий, которые мы еще не понимаем, но которые все же могут оказаться взаимовыгодными или, по крайней мере, односторонними для растения. Я думаю, что наш подход выводит эту систему в центр внимания», — сказал соавтор Тони Яннарелл , доцент кафедры природных ресурсов и наук об окружающей среде Колледжа ACES в Иллинойсе.

Исследователи также стерилизовали некоторые почвы первой фазы, прежде чем применять обработку на второй фазе. В этих горшках растениям на исторически сухих почвах было не лучше, когда они испытывали засуху.

«В некоторых предыдущих исследованиях фактически не сравнивали почву с микробами и без них, поэтому трудно действительно указать на микробы как на движущую силу пользы», — сказал Яннарелл. «В почве многое могло бы измениться, но когда мы стерилизовали микробы в нашем эксперименте, мы потеряли преимущества адаптации к засухе».

Ученые не идентифицировали микробы в своем эксперименте, поэтому они не могут точно знать, какую пользу они приносят растениям. Но Рикс сказал, что почвенные микробы участвуют во многих процессах, которые могут помочь растениям противостоять стрессу.

«Микробы отвечают за круговорот питательных веществ и углерода, поэтому независимо от того, облегчают ли они доступ растений к воде, они все равно могут высвобождать питательные вещества, которые делают растения более здоровыми и устойчивыми к стрессу», — сказал он.

Рикс не решался утверждать, что его исследование изменит парадигму экологических исследований, особенно учитывая, что это был эксперимент в теплице, сосредоточенный на свободноживущих почвенных микробах и одном типе экологического стресса. Но он надеется, что это побудит других ученых рассмотреть возможность контроля без микробов и растений в будущих исследованиях. Они могут просто показать, что на самом деле происходит у нас под ногами.

Исследование «Почвенная влага случайно отбирает микробы, которые способствуют адаптации растений к местным условиям», опубликовано в Proceedings of the Royal Society B [DOI: 10.1098/rspb.2023.0469 ]. Это исследование является вкладом Института интеграции биологии GEMS, финансируемого Программой институтов интеграции биологии DBI Национального научного фонда [награда № 2022049]. Он был дополнительно поддержан Совместной государственной службой исследований, образования и распространения знаний Министерства сельского хозяйства США в рамках проекта № ILLU 875–952, а также Школой интегративной биологии и Высшим колледжем Университета Иллинойса. Урбана-Шампейн.

Источник: Университет Иллинойса Урбана-Шампейн