Укрепление пшеницы против климатического стресса с помощью микроорганизмов
Сельское хозяйство в Европе всё больше страдает от экстремальных погодных условий, ведущих к потерям урожая. В 2018 году ущерб только в Германии составил около 770 миллионов евро. Повышение устойчивости растений пшеницы к таким стрессам может внести значительный вклад в обеспечение глобального производства продовольствия.
В рамках проекта VolCorn учёные из четырёх внеуниверситетских исследовательских институтов изучали, как растения пшеницы и колонизирующие их микроорганизмы (грибы и бактерии) реагируют на стрессовые факторы: засуху, затопление или вредителей.
Исходное предположение: микробиота (сообщество микроорганизмов в растении и вокруг него) так же важна для растения, как микроорганизмы для иммунной системы человека. Поэтому понимание этих взаимодействий — ключ к лучшей подготовке растений к стрессовым ситуациям.
Ключевую роль в защите растения от стрессоров играют летучие органические соединения (ЛОС), которые производит само растение и использует для "общения" с микробиотой. Для изучения этих сложных взаимосвязей использовались современные подходы, включая методы системной биологии для одновременного анализа изменений в метаболизме растения и в составе микробиоты.
Как микроорганизмы помогают при климатическом стрессе
Исследования показывают, что наводнения и засухи не только снижают рост и урожайность пшеницы, но и меняют микробиоту в корнях и листьях. В частности, на ранних стадиях роста увеличивается количество патогенных микробов, что делает ослабленные растения более восприимчивыми к болезням.
Однако, к удивлению исследователей, при затоплении в корневой зоне также накапливаются полезные бактерии, способствующие усвоению растением питательных веществ и витаминов. Одновременно само растение кардинально меняет свой метаболизм.
Учёные выяснили, что аминокислота аланин играет центральную роль в поддержании снабжения азотом и метаболизма у стрессированных растений. "Предположительно, изменённая микробиота затем предоставляет больше поддерживающих витаминов, чтобы поддержать ослабленный метаболизм пшеницы в корневой зоне", — объясняет координатор проекта Штеффен Кольб из ZALF.
Заражение вредителями влияет на образование растением ЛОС, на что оно реагирует защитным ответом. В рамках проекта также был разработан новый инструмент для анализа данных сложных смесей различных ЛОС с помощью масс-спектрометрии, который ускорит последующие исследования.
Новые знания для селекционеров и фермеров
"Мы надеемся, что в будущем сможем целенаправленно обогащать микробы и их полезные для растений свойства, чтобы сделать пшеницу более устойчивой к изменениям климата, например, к стрессу от затопления", — говорит Кольб.
В селекции растений уже ведутся работы по программам, которые поощряют заселение растений поддерживающими микроорганизмами из окружающей почвы. Другой пример — перенос стресс-снижающих микроорганизмов на растения пшеницы.
"Знания, полученные о многогранном ответе растения пшеницы и его микробиоты, имеют большое значение для выведения устойчивых к климату сортов и откроют новые пути для системного управления микроорганизмами в сельскохозяйственном производстве. Однако из-за сложности взаимосвязей необходимы дальнейшие экспериментальные исследования", — отметил координатор проекта.