Свекольный краситель помогает биологам отслеживать симбиотические грибы для устойчивого земледелия

Почти все сельскохозяйственные культуры образуют симбиоз с арбускулярными микоризными грибами в почве, что значительно увеличивает площадь поверхности их корней. Это взаимовыгодное взаимодействие усиливает способность растения поглощать питательные вещества, необходимые для роста.

Чем больше питательных веществ растения получают естественным путем, тем меньше требуется искусственных удобрений. Изучение этого процесса — первый шаг к его возможному усилению. Прогресс в этой области может принести огромную пользу для продуктивности сельского хозяйства.

В исследовании, опубликованном в журнале PLOS Biology, ученые использовали ярко-красные пигменты свеклы — беталаины — для визуального отслеживания почвенных грибов в процессе колонизации корней живого растения.

«Теперь мы можем наблюдать в реальном времени, как развиваются отношения между грибами и корнями растения с момента их первого контакта. Раньше мы не имели об этом представления, потому что не было способа визуализировать это в живом растении без сложной микроскопии», — сказал доктор Себастьян Шорнак, исследователь из Лаборатории Сэйнсбери Кембриджского университета и соавтор статьи.

Для этого исследователи модифицировали два модельных вида растений — бобовые и табак — так, чтобы они производили хорошо заметные беталаиновые пигменты при наличии арбускулярных микоризных грибов в их корнях. Для этого объединили регуляторные области двух генов, активируемых микоризными грибами, с генами, синтезирующими красные беталаиновые пигменты.

Растения выращивали в прозрачной конструкции, чтобы корневая система была видна, и изображения корней можно было делать с помощью планшетного сканера, не беспокоя растения.

С помощью этой техники ученые могли выбирать покрасневшие части корневой системы, чтобы подробнее наблюдать, как гриб проникает в отдельные клетки растения и формирует разветвленные древовидные структуры — арбускулы, которые растут внутри корней. Арбускулы поглощают из почвы питательные вещества, которые иначе были бы недоступны растению.

Существуют и другие методы визуализации этого процесса, но они предполагают выкапывание и уничтожение растения, использование химикатов или дорогостоящей микроскопии. Эта работа впервые позволяет невооруженным глазом и с помощью простой визуализации наблюдать, как симбиотические грибы начинают колонизировать живые корни растений и заселяют части корневой системы с течением времени.

«Это новый эффективный инструмент для визуализации этого и других важных процессов в растениях. Пигменты свеклы имеют характерный цвет, поэтому их очень легко увидеть. Еще одно преимущество в том, что это натуральные растительные пигменты, поэтому растения их хорошо переносят», — сказал доктор Сэм Брокингтон, исследователь из Департамента наук о растениях Кембриджского университета и соавтор статьи.

Микоризные грибы вызывают растущий интерес в сельском хозяйстве. Новая техника позволяет «отслеживать и прослеживать» присутствие симбиотических грибов в почвах из разных источников и мест. Это позволит отбирать грибы, которые быстрее всего колонизируют растения и приносят наибольшую пользу в сельскохозяйственных условиях.

Понимание и использование динамики колонизации корневой системы растений грибами может повысить будущее производство сельскохозяйственных культур экологически устойчивым способом. Если растения смогут поглощать больше питательных веществ естественным путем, это снизит потребность в искусственных удобрениях — сэкономит деньги и уменьшит связанное с ними загрязнение воды.