Инвентаризация подземного мира: Изучение сообществ грибов с помощью ДНК

Грибы часто остаются в стороне в разговорах об изменении климата, вырубке лесов и загрязнении окружающей среды, уступая место крупным и заметным растениям. Но растения не существуют изолированно. Под землей специализированные грибы — микоризы — образуют сложную сеть внутри и вокруг корней, жизненно важную для здоровья леса и долгосрочного хранения углерода.

Новое исследование, опубликованное в этом месяце в Applications in Plant Sciences, демонстрирует негативное влияние сплошных рубок на эти симбиотические грибы. Оно показывает, что даже после 17 лет восстановления на ранее вырубленных участках было меньше микоризного разнообразия, чем в нетронутых лесах. Одновременно исследование предлагает учёным дорожную карту для определения лучшего способа анализа микоризных сообществ при работе с ДНК.

«Всемирная паутина» леса

В бореальных лесах субарктической Канады, где соавтор Грег Пек изучал почвенные микроорганизмы последние десять лет, тысячи видов микоризных грибов оплетают корни деревьев тонкими нитевидными гифами. «Если бы мы могли, образно говоря, снять органический слой почвы, мы бы увидели гифы, буквально бегущие повсюду под землей», — сказал Пек, доцент биологии Университета Небраски.

От 80% до 95% видов сосудистых растений образуют взаимозависимые отношения с микоризными грибами, которые выполняют большую часть тяжелой работы в почвенных экосистемах. Микоризы отправляют свои ответвления далеко за пределы и глубже корней, поглощая воду и питательные вещества для растений-хозяев. Взамен симбиотические грибы живут исключительно за счёт сахаров, производимых растениями.

Но микоризы делают гораздо больше, чем просто помогают добывать питательные вещества. Их гифы образуют связи между растениями, позволяя им общаться, передавая гормоны и химические сигналы. Пека особенно интересует, как микоризы поддерживают здоровье лесных сообществ и как они реагируют на нарушения. «Были исследования, указывающие, что они обеспечивают защиту от патогенов и могут поглощать тяжелые металлы, что делает их бесценным инструментом для восстановления местообитаний», — сказал он.

Их эффективность в восстановлении лесных местообитаний может быть ограничена типом и степенью нарушения. Пек и его коллеги хотели узнать, как микоризы реагируют на обезлесение, и выбрали для своего исследования два участка в Альберте, Канада — один, где растительность была удалена 17 лет назад и затем восстановлена, и другой, оставшийся нетронутым. Хотя два леса выглядели практически одинаково над землей, количество видов микориз, обнаруженных на корнях, было значительно обеднено под землей.

«Когда мы смотрим на леса с точки зрения восстановления, мы склонны думать, что пять или десять лет — это долгий срок, — сказал Пек. — Но мы начинаем понимать, что с точки зрения почвы её восстановление может занимать десятки или даже сотни лет».

Распутывая микоризное разнообразие

Подобные анализы были бы невозможны всего несколько десятилетий назад. Хотя Пека в первую очередь интересуют результаты, показывающие, как грибы реагируют на изменения, он также изучает, какие методы лучше всего подходят для типов вопросов, которые задают исследователи.

До появления анализа ДНК подавляющее большинство грибного разнообразия оставалось неизвестным, скрытым под почвой. «Над землей мы видим только те грибы, которые способны размножаться с помощью какого-либо плодового тела, а это очень малая часть того, что на самом деле находится внизу», — сказал Пек.

Начиная с 1990-х годов, учёные начали выделять и анализировать ДНК из образцов почвы и корней, которые оказались наполнены вновь открытыми видами грибов.

Анализируя различия между старовозрастными и восстанавливающимися лесами, Пек также проверил эффективность двух широко используемых методов секвенирования ДНК. Старый метод, называемый секвенированием по Сэнгеру, позволяет исследователям получать крупные фрагменты ДНК для одного организма в образце. Второй метод, высокопроизводительное секвенирование, даёт противоположное преимущество, предоставляя большое количество коротких последовательностей для практически неограниченного числа организмов в данном образце.

Высокопроизводительное секвенирование обычно является методом выбора при изучении грибных сообществ из-за его способности охватывать более широкий спектр разнообразия. Пеку удалось получить ДНК более чем из 300 различных грибных линий в образцах почвы и корней с помощью высокопроизводительного секвенирования, в то время как метод Сэнгера выявил только 28.

Несмотря на очевидное преимущество высокопроизводительного секвенирования, учёные всё ещё сталкиваются с барьером из новых или неизвестных видов, которые трудно интерпретировать на основе коротких цепочек ДНК. «Неидентифицированные последовательности — это огромная проблема, — сказал Пек. — Иногда лучшее, что мы можем сказать, это то, что это гриб».

Хотя секвенирование по Сэнгеру может быть медленным и трудоёмким процессом, оно часто более надёжно при попытке идентифицировать отдельные виды. В области, где неизвестного больше, чем ответов, Пек утверждает, что для понимания микоризного разнообразия и важности грибов в экосистемах, сталкивающихся с изменениями окружающей среды, необходимо использовать несколько методологий.

«Почва — это жизнь, — сказал Пек. — Нам действительно нужно начать уделять внимание разнообразию под землей, чтобы оценить, что нас ждет и что уже здесь, в условиях продолжительной засухи, увеличения масштабов вспышек насекомых и более частых пожаров».