Удобрение разрушает способность микробиома растений защищаться от болезней

Новое исследование роли микробных сообществ на листьях растений показывает, что удобрение сельскохозяйственных культур может повысить их восприимчивость к болезням.

Биологи из Калифорнийского университета в Беркли обнаружили, что опрыскивание томатов микробами, взятыми со здоровых растений, защищало их от болезнетворных бактерий. Однако предварительное удобрение томатов сводило эту защиту на нет, приводя к увеличению популяции патогенных микробов на листьях.

Исследователи пока не знают, делает ли повышенное количество вредных бактерий на листьях растения действительно больными. Однако ясно, что удобрение нарушает баланс микробного сообщества на листьях, что потенциально может позволить болезнетворным организмам проникнуть в растение.

«Когда мы меняем питательную среду растений, мы фундаментально меняем взаимодействие растения с микробиомом и, что важно, опосредованную микробиомом защиту в рамках естественных взаимодействий растение/микроб», — говорит старший автор Бритт Коскелла.

Эффект удобрения был не единственным сюрпризом исследования. Учёные также обнаружили, что более низкая доза полезных микробов, распылённых на листья, часто была эффективнее в защите растений от инфекции, чем более высокие дозы. Они опрыскивали листья искусственным микробным сообществом из 12 видов бактерий, взятых из естественного микробиома здоровых томатов.

«Мы обнаружили, что наиболее защитным сообществом было самое разбавленное, наименее концентрированное, с самой низкой дозой. Это было совершенно неинтуитивно. Средняя доза давала среднюю защиту, а самая высокая доза была наименее защитной», — сообщила соавтор Морин Берг.

Пробиотики для растений

Эти выводы важны, поскольку фермеры, занимающиеся органическим земледелием, рассматривают возможность опрыскивания культур пробиотиками для улучшения роста и защиты от болезней.

«Тот факт, что мы наблюдали этот эффект "низкая доза — высокая защита", говорит о том, что всё не так просто, как просто набросать больше микробов. Предстоит много работы по пониманию того, как применять растительные пробиотики», — отмечает Коскелла.

Исследование будет опубликовано в печатном выпуске журнала Current Biology от 6 августа.

Эксперименты с микробиомом

Учёные исследовали надземный микробиом растений (филлосферу). Они опрыскивали стерильные растения томатов в камерах для выращивания смесью микробов, собранных со здоровых растений, а через неделю заражали листья бактерией Pseudomonas syringae, вызывающей пятнистость томатов.

Естественное микробное сообщество действительно защищало растения от колонизации патогенами. Однако, когда они варьировали концентрацию распыляемых микробов, во многих случаях низкие дозировки работали лучше высоких.

Этот неожиданный результат подтвердился и при использовании искусственного сообщества из 12 видов.

Роль удобрений

В ходе одного из повторных экспериментов Берг решила сначала удобрить поникшие растения. В этом испытании ни одна из доз микробиома не обеспечила защиты от Pseudomonas. Последующие испытания с удобрением и без него подтвердили, что внесение удобрений отменяет ранее наблюдаемые защитные эффекты.

В каждом эксперименте защиту оценивали по относительной популяции Pseudomonas по сравнению с другими, в основном полезными микробами, поскольку здоровый микробиом должен эффективно конкурировать с патогеном.

Одна из гипотез, почему удобрение изменяет микробиом, заключается в том, что питательные вещества делают листья более здоровыми, что поддерживает все микробы и устраняет необходимость полезным микробам вытеснять вредные. Исследователи сейчас проверяют эту гипотезу.

Они также планируют выяснить, почему обработка пробиотиками в низких дозах работает лучше, чем в высоких, чтобы помочь разработать подходящие методы применения пробиотиков в сельском хозяйстве.

«Мы удобряем культуры так долго, что я была бы удивлена, если бы мы уже не увидели последствий долгосрочного внесения удобрений на взаимодействие растений с их микробами. Многие исследования показывают, что у одомашненных растений, как правило, микробные сообщества сильно отличаются от сообществ их диких родственников», — заключает Коскелла.

Ключевые вопросы остаются: влияет ли это на общее здоровье растения и почему?