Корни и микробы: как сложную подземную экосистему изучают в лаборатории
В первом крупномасштабном анализе сообществ микробов, взаимодействующих с корнями растений, учёные каталогизировали и сравнили сотни типов бактерий, ассоциированных с корнями модельного растения Arabidopsis в различных условиях. Работа создаёт экспериментальную основу для изучения того, как растения взаимодействуют с микробным сообществом, влияющим на их рост, развитие, продуктивность и воздействие на окружающую среду.
Анализ, проведённый под руководством Джеффа Дангла (Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл), выявил основную группу типов бактерий, которые постоянно обнаруживаются внутри корней Arabidopsis. Другие бактериальные ассоциации зависят от типа почвы, в которой растёт растение. Работа опубликована 2 августа 2012 года в журнале Nature.
- Сложность задачи: Вне контролируемой среды лаборатории микроб никогда не действует в одиночку. Каждая лопата почвы уникальна, а микробное сообщество в ней чрезвычайно разнообразно и сложно.
- Цель исследования: Установить молекулярные правила, по которым формируется сообщество микробов на корнях, помогающее растению расти.
Экспериментальный подход
Исследователи использовали модель Arabidopsis thaliana и сравнили популяции микробов в корнях и вокруг них у сотен растений, выращенных в разных почвах и с разным генетическим фоном.
- Почва: Были взяты образцы с фермы в Северной Каролине и с экспериментального участка кампуса UNC, не обрабатывавшегося более 100 лет (разный химический состав и уникальная популяция микроорганизмов).
- Выращивание: В стерилизованную почву высадили свободные от микробов сеянцы различных инбредных линий.
- Отбор проб: На двух стадиях роста собирали корни и окружающую почву, выделяя:
- Анализ: Для каталогизации разнообразия бактерий в каждом из более чем 1200 образцов использовали секвенирование гена 16S рРНК. Анализ данных потребовал значительных вычислительных мощностей и новых методов биоинформатики (совместно с Объединённым институтом генома, JGI).
Ключевые результаты
- Селекция микробов: В ризосфере обнаруживалось лишь подмножество бактерий из окружающей почвы. Внутри корня (эндосфере) этот эффект усиливался: ещё меньше видов смогли поселиться и сконцентрироваться в клетках растения. Это указывает на процесс отбора бактерий, способных ассоциироваться с корнем.
- «Ядро» сообщества: Была идентифицирована основная группа бактериальных типов, постоянно присутствующая в корнях Arabidopsis независимо от почвы. Параллельное исследование немецкой группы в том же номере Nature подтвердило наличие очень похожего ядра у растений, выращенных в немецких почвах.
- Почвенно-специфичные взаимодействия: Состав микробного сообщества также частично зависел от типа почвы (фермерская vs. целинная), что предполагает, что в разных почвенно-питательных условиях растение может рекрутировать определённые микроорганизмы для предоставления конкретных «экосистемных услуг».
Значение и перспективы
Исследование завершает необходимую описательную фазу для создания новой экспериментальной платформы, объединяющей методы экологии сообществ и редукционистской молекулярной генетики.
Дальнейшие планы включают:
- Изучение того, как изменения в генах растения влияют на сообщества микробов, которые оно рекрутирует.
- Систематическое исследование вклада микробов в рост растений путём изоляции отдельных штаммов и тестирования их эффектов на свободных от микробов растениях.
- Разработку пробиотических добавок, которые могли бы помогать растениям процветать в конкретных условиях окружающей среды.
Работа стала возможной благодаря поддержке JGI, Национального научного фонда (NSF) и Говарда Хьюза — Фонда Гордона и Бетти Мур (HHMI-GBMF).