Искусственные экосистемы могут помочь создать лучшие биоэнергетические культуры

Более глубокое понимание того, как растения и микробы совместно работают над запасанием огромного количества атмосферного углерода в почве, поможет в создании лучших биоэнергетических культур для борьбы с изменением климата.

Однако расшифровка механики этих взаимовыгодных отношений сложна, поскольку условия в природе крайне трудно воспроизвести в лаборатории. Чтобы решить эту проблему, исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли создали искусственные экосистемы — EcoFAB.

В новой статье в Science Advances они показывают, как эти пластиковые камеры для выращивания размером с ланч-бокс могут предоставить ученым по всему миру стандартизированную и воспроизводимую платформу для экспериментов с модельными растениями и микробами, живущими вокруг их корней.

Это, в свою очередь, может ускорить исследования по созданию улучшенных биоэнергетических культур, способных расти на бедных питательными веществами почвах и поглощать из атмосферы больше углерода, чем это возможно сейчас.

«Главная идея EcoFAB заключается в реальной потребности в платформе для исследований микробиома растений, которая позволит ученым лучше обмениваться данными и развивать работу друг друга», — сказал Властимил Новак, ведущий автор статьи.

В исследовании Новак и коллеги из лаборатории Трента Нортена использовали EcoFAB, чтобы проверить, как разные формы азота влияют на производство органических веществ, выделяемых корнями Brachypodium — небольшого вида травы, используемого в качестве модели для биоэнергетических злаков.

Они провели эксперименты, поставляя Brachypodium разные источники азота — аммоний, нитрат или их комбинацию, — и наблюдали изменения в составе корневых экссудатов. Они обнаружили, что разные уровни азота влияли на тип соединений, производимых корнями, и что растения лучше всего росли, когда получали и аммоний, и нитрат.

Одним из интересных открытий стало производство дофамина в корневых экссудатах только при совместном присутствии аммония и нитрата. Это говорит о том, что специфические питательные условия влияют на выработку определенных метаболитов, что, в свою очередь, может влиять на рост растений.

«Результаты этого исследования могут информировать практику управления питательными веществами, показывая, что для Brachypodium или подобных злаков необходимо одновременное снабжение и аммонием, и нитратом для оптимального роста», — сказал Новак.

EcoFAB в конечном итоге могут быть объединены с достижениями в робототехнике и ИИ, чтобы резко увеличить скорость открытий в исследованиях микробиома растений. Другое перспективное развитие в Беркли — EcoBOT, автоматизированная роботизированная система, которая может автономно проводить эксперименты с EcoFAB.

Отличный инструмент для обучения

Помимо пользы для ученых, EcoFAB также оставляют след в классах, где их используют как старшеклассники, так и студенты колледжей в Калифорнии в качестве платформы для обучения.

С 2020 года старшеклассники, участвующие в программе стажировки Berkeley Lab, проводят эксперименты с использованием EcoFAB для изучения роста растений в различных условиях азотного питания. Этот исследовательский проект остается одним из главных событий программы.

«EcoFAB позволили нам обсуждать микроорганизмы в классе так, чтобы это связывало другие темы», — сказала Кристина МакГи-Эскивель, учитель биологии.

Дальнейшее сотрудничество с организациями, такими как Biotech Partners, направлено на внедрение биотехнологического образования, включая использование EcoFAB, в школах для меньшинств по всему району залива. Также ведутся дискуссии о внедрении EcoFAB в программы бакалавриата.

«Исследования традиционно не являются частью опыта обучения в общественном колледже, но многие из наших студентов STEM хотят перевестись и заниматься исследованиями или работать в лабораториях. Получение ими опыта исследований очень важно для нас. И это был прекрасный способ сделать это», — сказала Джилл Бушар, профессор биологии.