Поиск (микробных) столпов сообщества биоэнергетических культур

Стебли, листья, цветы и плоды представляют собой самую большую потенциальную среду обитания для микробов, но экологи до сих пор мало знают о том, как микроорганизмы, живущие там, формируются и поддерживаются в течение вегетационного сезона.

В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, ученые из Центра биоэнергетических исследований Великих озер в Университете штата Мичиган сосредоточились на изучении филлосферы — части растения над почвой, где обитают эти микробы. Эшли Шейд и ее лаборатория классифицировали ключевые (core) члены этого сообщества в двух системах выращивания биоэнергетических культур: просе прутьевидном и мискантусе. В процессе они выявили важные закономерности в том, как формируются эти сообщества и как они связаны с почвенными микробами.

Считается, что микроорганизмы филлосферы играют роль в росте и здоровье растения-хозяина. Как и их подземные собратья, этот микробиом влияет на то, сколько фосфора, азота и других питательных веществ биоэнергетические культуры могут удерживать, не допуская их попадания в водоемы и атмосферу.

Столпы сообщества

Исследователи задались двумя вопросами: меняется ли микробиом филлосферы в зависимости от сезона и какую роль в этом ежегодном взаимодействии растений и микробов играет почва? Для ответа они взяли пробы с полей мискантуса и проса в Исследовательской станции Келлога, созданных в 2008 году как часть эксперимента GLBRC.

Лаборатория Шейд отбирала пробы микробных сообществ с листьев каждые три недели в течение одного полного сезона для мискантуса и двух — для проса. Ключевыми (core) микробами были определены те, которые стабильно обнаруживались на листьях в одинаковые моменты времени на всех полях и постоянно появлялись в течение периодов отбора проб.

Оказалось, что многие ключевые микробы на листьях биоэнергетических растений происходят из почвы и довольно стабильны в течение сезонов. Это означает, что микробиом филлосферы можно целенаправленно культивировать, как и сами растения.

Команда идентифицировала сотни членов микробиома листьев и сравнила их с тысячами почвенных, используя метод глубокого секвенирования, предоставленный Объединенным институтом генома (Joint Genome Institute, JGI).

Некоторые микробы, обнаруженные в почве на стабильно низком уровне, оказались ключевыми членами сообществ на листьях. Это говорит о том, что среда листа — специфичная среда обитания для определенных организмов, а почва является их возможным резервуаром.

Чтобы проверить эту идею, команда создала статистическую модель, имитирующую случайное распределение микробов между листьями и почвой, и сравнила результат с реальными наблюдениями. Модели показали, что микробное сообщество на листьях мискантуса и проса формируется не случайно.

Сужение круга таксонов

Следующим шагом будет определение того, какие из ключевых членов микробиома выполняют важные функции для растения.

Теперь, имея большой массив данных о сообществе, включающий тысячи таксонов, можно понять, какие из ключевых членов просто присутствуют на растении, а какие действительно влияют на его рост и здоровье. Понимание того, как это микробное сообщество меняет свое взаимодействие с хозяином в течение сезона, может позволить использовать эти знания на благо растения.