Когда растения питаются грибами: Новый метод позволяет проводить неограниченные изотопные анализы

Большинство растений в мире живут в симбиозе с грибами. Часто происходит обмен питательными веществами, от которого выигрывают оба партнера. Однако во многих других случаях растения питаются односторонне за счет грибов.

Международные исследовательские группы под руководством проф. д-ра Герхарда Гебауэра из Университета Байройта представили в журнале New Phytologist новый метод, который впервые позволяет без ограничений применять изотопные анализы ко всем формам симбиоза растений и грибов. В будущем станет возможным определять, какие и сколько питательных веществ каждое растение получает от грибных партнеров.

Понимание типа и количества питательных веществ, которые растения извлекают из грибов, переплетенных с их корнями, важно для изучения биоразнообразия и функционирования экосистем. Особый интерес в этом контексте представляет углерод: согласно все еще широко распространенному мнению, растения производят весь необходимый им углерод посредством собственного фотосинтеза и поэтому называются автотрофными.

Однако многие растения являются гетеротрофными: они используют симбиоз с грибами, известный как микориза, для извлечения углерода от грибных партнеров. Существуют даже растения, которые полностью удовлетворяют свои потребности в углероде таким образом и полностью прекратили собственный фотосинтез.

Изотопные анализы дают представление о подземном переносе питательных веществ

В течение многих лет исследования переноса питательных веществ от грибов к растениям использовали тот факт, что углерод, произведенный самими растениями, имеет изотопный профиль, отличный от углерода, присутствующего в грибных партнерах. Это означает, что изотопы углерода — атомы углерода, которые различаются только количеством нейтронов в ядре — встречаются в грибных партнерах в ином соотношении, чем в углероде, который растения производят путем собственного фотосинтеза.

Изотопный анализ углерода, накопленного в растениях, позволяет сделать выводы о количестве углерода, поступающего от грибов. Однако эти расчеты возможны только при известных двух референсных значениях: изотопном профиле углерода в автотрофных растениях и изотопном профиле углерода в грибных партнерах.

Между этими двумя референсными значениями лежит изотопный профиль углерода в гетеротрофных растениях, которые извлекают часть необходимого углерода от своих грибных партнеров. Таким образом, изотопные исследования уже позволили получить множество новых данных о симбиозах грибов и растений.

Открыватель дверей для экосистемных исследований

Однако до сих пор исследования имели существенное ограничение: грибные партнеры должны были образовывать собственные плодовые тела и накапливать в них свой углерод. Только при этом условии грибной углерод был доступен в количествах, необходимых для изотопных анализов. Однако давно известно, что только около десяти процентов грибов, живущих в симбиозе с растениями, образуют плодовые тела. Следовательно, одного из двух референсных значений, необходимых для надежного определения типа и степени гетеротрофии растений, обычно не хватало.

Исследовательская группа из Байройта нашла решение этой проблемы. Ученым удалось извлечь грибной углерод из грибных нитей — так называемых гиф, — которые были переплетены с корнями растений. Таким же способом они смогли изолировать грибной азот и водород.

Исследования, опубликованные в New Phytologist, включают разнообразные примеры применения изотопного анализа, которые теперь стали возможны благодаря новой технике. «Двери теперь широко открыты для экосистемных исследований симбиотических отношений между растениями и грибами», — говорит проф. д-р Герхард Гебауэр.

Примеры исследований лесных растений и орхидей

Исследования были сосредоточены на грибах без плодовых тел, которые живут в арбускулярной микоризе с мелкими безлистными растениями, неспособными к фотосинтезу и, следовательно, полностью гетеротрофными. Это особенно распространенная форма симбиоза растений и грибов, уходящая далеко в эволюционную историю.

Исследовательские партнеры из Японии и Австралии предоставили ученым в Байройте лесные растения, от корневой сети которых удалось отделить клеточные нити (гифы) грибов и подготовить их для изотопных анализов. Анализы впервые предоставили данные об изотопном составе грибных партнеров арбускулярной микоризы с полностью гетеротрофными растениями.

Другим направлением исследований были изотопные профили орхидей, произрастающих в северо-восточной Баварии, которые также образуют микоризу с грибами, не производящими плодовых тел. Однако для сравнения в исследования была включена и орхидея, произрастающая на Гавайях.

Из корневых клеток орхидей были изолированы пелотоны грибов — небольшие шарообразные скопления гиф, что оказалось особенно сложной задачей. Предварительные изотопные анализы указывают на то, что выбранные орхидеи также извлекают значительную часть своих потребностей в азоте и других питательных веществах из грибов.