Микробиом городских деревьев — ключ к здоровью городов

Городские деревья жизненно важны: они охлаждают районы, фильтруют загрязнения воздуха, поддерживают биоразнообразие и улучшают самочувствие людей. Однако эти преимущества частично зависят от микробиома дерева, который влияет на его здоровье, устойчивость к стрессу и взаимодействие с окружающей средой.

По мере роста городов и усиления таких стрессоров, как жара, засуха и загрязнение, мы рискуем нарушить микробные связи, необходимые деревьям для роста.

Исследователи из лаборатории Бхатнагар в Бостонском университете опубликовали в журнале Nature Cities статью, в которой изучили разницу в микробных сообществах уличных деревьев и деревьев в негородских лесах.

Анализируя разнообразие грибов и бактерий, размер деревьев и свойства почвы, их работа показывает влияние городских стрессоров на микробиомы городских деревьев.

Почему важно изучать микробиомы деревьев?

Дженни Бхатнагар: Микроорганизмы повсюду и обеспечивают критически важные экосистемные услуги: разложение, круговорот питательных веществ, рост деревьев и секвестрацию углерода. Они также могут вредить, выступая патогенами или выделяя парниковые газы.

Большинство работ сосредоточено на микробиоме зданий или газонов в городах. Однако мы находимся в самом начале понимания того, как урбанизация влияет на микроорганизмы.

Кэтрин Атертон: Изучение того, как урбанизация нарушает микробиом деревьев, важно, потому что это помогает понять, как города влияют на невидимые организмы, поддерживающие здоровье деревьев и экосистемные услуги. Деревья полагаются на разнообразных микробных партнеров для получения питательных веществ, устойчивости к болезням и стрессу, особенно в суровых городских условиях.

Когда эти сообщества нарушены, деревья становятся более уязвимыми, а польза, которую они приносят жителям городов, может сократиться. Выявляя, какие микробные функции и симбионты теряются в городах, мы можем разработать лучшие стратегии для поддержания здоровья городских лесов.

Ключевой вывод исследования

Бхатнагар: Всё, что может пойти не так с микробиомом, идёт не так у деревьев в городах. Они страдают от потери подземных симбионтов (эктомикоризных грибов) и потенциальных надземных симбионтов (эпифитов), а также от накопления патогенов растений, грибов и бактерий, вызывающих гниль древесины. Они также являются хозяевами для большего числа патогенов животных и человека.

Наконец, у городских деревьев больше бактерий, способных генерировать закись азота (N₂O) — мощный парниковый газ, и меньше метаногенов, потребляющих метан, по сравнению с сельскими деревьями. Это кошмарный сценарий для экологического микробиома.

Хорошая новость в том, что эти изменения коррелируют с жарой, низкой влажностью почвы, низким содержанием органического вещества в почве, её плотностью и осаждением атмосферных аэрозолей — вещами, которые люди могут обратить вспять в городах.

Мотивация для исследования

Бхатнагар: Некоторые из самых интригующих задач в исследованиях были предложены моими студентами. Урбанизация и её влияние на микробиом окружающей среды — одна из них. Кэти пришла в мою лабораторию и хотела изучать влияние урбанизации на микроорганизмы и то, как мы можем обратить вспять потенциальные негативные эффекты.

Атертон: Во время пандемии я читала о том, как урбанизация связана с более высокой заболеваемостью COVID-19, особенно в районах с ограниченным количеством зелёных насаждений. Мне хотелось узнать больше о том, как мы можем защитить наши городские леса. Как микробный эколог, я была заинтересована в понимании того, как урбанизация влияет на полезные микробные взаимосвязи, поддерживающие здоровье деревьев.

Почему это важно сейчас?

Бхатнагар: Городские экосистемы — самый быстрорастущий биом на Земле. Ожидается, что к 2050 году площадь городских территорий в мире удвоится. В США урбанизация, как прогнозируется, поглотит более 20% (118 300 км²) лесных земель и будет вмещать 90% населения. При этом мы не до конца понимаем эти экосистемы или их влияние на природу. Это опасно, но поправимо.

Атертон: Наша работа показывает, что урбанизация фундаментально меняет микробную жизнь, от которой зависят деревья, что может поставить под угрозу их выживание и пользу. Это имеет серьёзные последствия для управления городскими лесами в условиях потепления и урбанизации.

Что может измениться благодаря этому исследованию?

Бхатнагар: Наша способность связать нарушение микробиома деревьев с ключевыми факторами окружающей среды (органическое вещество почвы, вода, температура, загрязнители) указывает на конкретные изменения, которые мы можем внести — даже просто в почву под деревьями — чтобы обратить вспять некоторые негативные эффекты урбанизации.

Атертон: Включение соображений о микробиоме в политику городского лесного хозяйства может повысить выживаемость деревьев, улучшить экосистемные услуги (фильтрация воздуха, захват углерода) и создать более устойчивые и справедливые зелёные пространства.

Что могут сделать отдельные люди?

Бхатнагар: Одна простая вещь — если вы сажаете дерево или ухаживаете за ним у дома — положите мульчу. Это увеличит влажность почвы и потенциально стимулирует рост полезных для дерева подземных симбионтов (микоризных грибов), которые обеспечивают защиту от стресса, питательные вещества и воду.

Атертон: Важно помнить, что уличные деревья, даже если выглядят изолированными, не одиноки: они зависят от сложных микробных сообществ, уязвимых к городским стрессорам. Защита городских лесов означает и защиту их микробиома.

Следующие шаги в исследовании

Бхатнагар: Одно из основных направлений — экологический инжиниринг для городов. Города по всему миру инвестируют миллионы в озеленение, но высокая смертность деревьев ведёт к большим финансовым потерям и не позволяет городам секвестрировать достаточно углерода для достижения нулевых выбросов.

Мы считаем, что часть проблемы — в потере деревьями симбионтов в городах, что открывает экологическое пространство для роста патогенов. Восстановление грибных симбионтов корней (микоризных грибов) было очень успешным в снижении смертности деревьев в лесах. Урбанизация создаёт одни из самых стрессовых условий для симбионтов, но их можно обратить вспять простыми изменениями структуры почвы. Летом 2023 года мы запустили первый эксперимент по восстановлению микробиома.

Атертон: Мы выявили нарушение микробиома и связали это со стрессорами, но теперь нужно понять, какие конкретные факторы сильнее всего предсказывают здоровье и рост деревьев. Для этого я работаю над моделированием этих взаимосвязей, чтобы определить приоритетные экологические и микробные цели для городских посадок и управления.