Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Microbiology, анализирует почвы, собранные по всему Канзасу, чтобы оценить роль так называемых «наследственных эффектов». Этот термин описывает, как почвенные условия на конкретном участке формируются микробами, которые адаптировались к местному климату на протяжении многих лет.
Команду из Университета Канзаса заинтересовала идея «экологической памяти» почвенных микробов — способности, которая позволяет им сохранять информацию о климатических условиях, пережитых их предками. Профессор экологии и эволюционной биологии Мэгги Вагнер, соавтор исследования, подчеркивает, что бактерии, грибы и другие организмы, обитающие в почве, имеют важное влияние на такие процессы, как секвестрация углерода, перемещение питательных веществ и, что особенно важно, на наследственные эффекты для растений. По ее словам, это имеет серьезные последствия для агротехнологий, включая выращивание кукурузы и пшеницы, поскольку «память» микробов может играть не менее значимую роль, чем само количество осадков.
Хотя наследственные эффекты наблюдались и ранее, их детальные механизмы до сих пор оставались неясными. Более глубокое понимание этих процессов могло бы помочь фермерам и агробиотехнологическим компаниям использовать полезные микробы для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур. Ученые стремились выяснить, какие именно микробы задействованы на генетическом уровне, какие бактериальные гены подвергаются влиянию, и как климатическая «память» передается от почвы к микробам, а затем к растениям.
Для исследования команда отобрала образцы почвы из шести различных мест в Канзасе, охватывающих как более влажные восточные регионы, так и более сухие западные Высокие равнины, где выпадает меньше осадков из-за «дождевой тени» Скалистых гор. Такая география позволила сравнить, как наследственные эффекты варьируются вдоль этого климатического градиента. Вся экспериментальная работа проводилась в Университете Канзаса в сотрудничестве с командой из Университета Ноттингема в Англии.
Исследователи, применяя метод «черного ящика», выращивали растения в различных микробных сообществах, которые имели разные «воспоминания» о засухе. Затем они измеряли продуктивность растений, чтобы определить, какие микробные сообщества оказывают благоприятное, а какие — неблагоприятное воздействие. Микробные сообщества подвергались воздействию либо обильного, либо крайне ограниченного количества воды в течение пяти месяцев для формирования контрастной истории влагообеспеченности.
Один из наиболее интригующих результатов показал, что даже после тысяч поколений бактерий «память» о засухе оставалась обнаруживаемой. Наследственный эффект микробов был значительно сильнее у растений, которые были местными для данных участков, по сравнению с сельскохозяйственными культурами, такими как кукуруза, которые не являются коренными для этих местностей. Это наблюдение предполагает, что аборигенные растения более тесно связаны с местной микробной историей.
Для проверки взаимодействия идентичности растения с микробным наследием ученые сравнили одну сельскохозяйственную культуру (кукурузу) с одной местной травой (гамаграссу). Они предполагают, что это связано с коэволюционной историей растений: гамаграсса сосуществовала с этими микробными сообществами на протяжении очень долгих периодов, тогда как кукуруза, одомашненная в Центральной Америке, появилась в этих регионах всего несколько тысяч лет назад.
Помимо продуктивности растений, ученые проанализировали активность генов как у микробов, так и у растений, чтобы исследовать потенциальные молекулярные механизмы, лежащие в основе наследственных эффектов. Особый интерес вызвал ген, названный nicotianamine synthase. Он продуцирует молекулу, которая в основном помогает растениям усваивать железо из почвы, но также, как показали предыдущие исследования, может влиять на засухоустойчивость у некоторых видов. В данном исследовании этот ген проявлял активность у растений в условиях засухи, но только тогда, когда они росли с микробами, имеющими «память» о сухих условиях. Это говорит о том, что реакция растения на засуху зависит от микробной памяти.
Гамаграсса в настоящее время рассматривается как источник полезных генов для улучшения кукурузы в стрессовых условиях. Обнаруженный ген может представлять большой интерес для биотехнологических компаний, работающих над микробными добавками для сельскохозяйственных культур. Коммерциализация микробов в сельском хозяйстве — это многомиллиардная индустрия, которая продолжает расти, и такие исследования указывают направления для поиска микробов с полезными свойствами.
В коллектив исследователей Университета Канзаса вошли ведущий автор Николь Гиннан (ныне Университет Калифорнии – Риверсайд) и Натали Форд (ныне Университет штата Пенсильвания). Также в проекте участвовали Валерия Кустодио, Дэвид Гопайчан, Дилан Джонс, Даррен Уэллс и Габриэль Кастрильо из Университета Ноттингема; Исаи Салас-Гонсалес из Национального автономного университета Мексики; и Анхела Морено из Министерства сельского хозяйства и окружающей среды Кабо-Верде. Успех исследования, как отмечает Мэгги Вагнер, заключается в его междисциплинарном подходе, объединившем генетический анализ, физиологию растений и микробиологию, что позволило получить ответы на вопросы, которые ранее оставались без решения.
Работа была профинансирована Отделом интегративных организменных систем Национального научного фонда США.
