Исследование раскрывает микроскопический ключ к сокращению океанических мертвых зон
На северной окраине Мексиканского залива находится мертвая зона площадью 6000 квадратных миль, заполненная обедненной кислородом водой, мертвыми растениями, рыбой и поврежденной экосистемой.
Такие мертвые зоны возникают, когда азот и фосфор из сельскохозяйственных удобрений и сточных вод смываются в океан и вызывают огромное цветение токсичных водорослей. К сожалению, их сотни по всему миру.
Микробиологи из Университета Бригама Янга (BYU) при финансовой поддержке Национального научного фонда (NSF) и Министерства сельского хозяйства США решают эту глобальную экологическую проблему, подходя к корню вопроса.
Их исследование, последняя часть которого опубликована на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, раскрывает потенциал естественных бактерий, называемых ризобиями, для сдерживания потока перенасыщения азотными удобрениями.
«Если мы сможем найти лучшие способы доставки азота растениям, то мы сможем улучшить экологическое воздействие сельского хозяйства», — сказал Пол «Скип» Прайс, ведущий автор нового исследования BYU. «Мы хотим усовершенствовать этот процесс, чтобы нам не приходилось вносить в поля столько удобрений. С активными ризобиями мы можем получать продуктивные урожаи, защищая при этом окружающую среду и сохраняя наши водные пути более безопасными».
Как это работает? Краткий курс микробиологии:
Одним из важнейших (и наиболее лимитирующих) питательных веществ для растений является азот, но способность растения естественным образом усваивать его из атмосферы зависит от крошечных бактерий — ризобий.
Ризобии делают свое дело, прикрепляясь к растению-хозяину — обычно внутри крошечных клубеньков на корнях растения — и объединяясь с ним для «фиксации» азота (превращения газообразного азота в усвояемую форму). Это дружеский симбиотический союз, который помогает расти таким крупным культурам, как соя, люцерна и горох.
Ризобии особенно важны, потому что когда они работают с высокой эффективностью, фермеры могут сократить количество вносимых в почву азотных удобрений. Меньше удобрений — меньше азота в сточных водах и, следовательно, меньше роста водорослей, которые истощают запасы кислорода в океане.
Генетический переключатель: от симбионта к паразиту
Экспертиза Прайса, постдока, и профессора BYU Джоэла Гриффитса в области ризобий привлекла внимание Министерства сельского хозяйства США, выделившего грант в размере 450 000 долларов, в дополнение к гранту NSF в 650 000 долларов, который помог финансировать ранние этапы исследований. Конкретно им было поручено изучить эффекты гена HrrP, который может переключать ризобии из состояния друга растения в состояние паразита.
«Когда это происходит, растение не получает никакой пользы, а ризобии ведут себя больше как болезнь», — сказал Гриффитс, доцент кафедры микробиологии и молекулярной биологии. «Один-единственный ген меняет все».
По словам Гриффитса, растения используют сложный словарь химических веществ, называемых пептидами, чтобы «разговаривать» с ризобиями, когда те проникают в корневые клетки. Эти бактерии обычно подчиняются командам растения. Но ген HrrP, который они обнаружили, заставляет некоторые бактерии игнорировать эти команды.
«Вместо этого эти бактерии начинают вести очень эгоцентричный образ жизни», — сказал Гриффитс.
Для Гриффитса, Прайса, двух студентов-исследователей и коллег из MIT эти открытия увлекательны, поскольку показывают, насколько легко бактерии могут переключаться из полезного состояния во вредное. Это также представляет собой еще один шаг к пониманию химии, стоящей за успехом или провалом продуктивных отношений между крупными организмами и крошечными микробами.