«Ты когда-нибудь задумывался о жизни на листе?» Исследователь Центра биоэнергетических исследований Великих озер (GLBRC) Эшли Шейд задает простой вопрос, но его стоит изучить.
Надземная часть растений, где обитают микробы, или филлосфера, представляет собой самую большую площадь поверхности окружающей среды на растении. Большая часть этой территории используется в качестве культивируемого сельского хозяйства, и понимание взаимодействия между растениями и микроорганизмами, которые живут на их поверхности, может помочь нам разработать методы управления сельским хозяйством, которые могут повысить продуктивность и устойчивость сельскохозяйственных культур.
В своем недавно опубликованном исследовании сотрудники Исследовательского центра биоэнергетики Министерства энергетики GLBRC и Центра передовой биоэнергетики и инноваций в области биопродуктов (CABBI) изучают сложности жизни на листе.
Многолетние растения, такие как подорожник и мискантус, являются важнейшей мишенью для устойчивого производства биотоплива. В дополнение к получению большого количества биомассы, которая может быть преобразована в биотопливо и биопродукты, многолетние культуры предлагают широкий спектр экосистемных услуг, которые поддерживают усилия по смягчению последствий изменения климата, такие как поглощение парниковых газов и стимулирование круговорота питательных веществ в почве.
Как и все растения, многолетники являются домом для самых разнообразных микробов, и многие из этих микробов приносят пользу своим хозяевам. Например, некоторые микробы, ассоциированные с растениями, могут повысить продуктивность растений и обеспечить некоторую защиту от экологических стрессоров, таких как жара и засуха. В связи с этим управление микробиомом растений является одним из предлагаемых инструментов для стимулирования роста и жизнестойкости сельскохозяйственных культур, что особенно важно в условиях глобального изменения климата. Ожидается, что наряду с селекцией и полевыми практиками, основанными на данных, управление микробиомом сыграет важную роль в устойчивом производстве биотопливного сырья.
Разные части растения являются домом для разных микробов. В последние годы многие исследователи изучали взаимодействия растений и микробов, происходящие в ризосфере — подпочвенной зоне вокруг корней, — которые играют ключевую роль в способности растения усваивать воду и питательные вещества. Однако надземная филлосфера, которая включает в себя поверхности листьев, также является домом для некоторых очень важных микроорганизмов.
А именно, известно, что филлосферные микробы играют важную роль в круговороте углерода и защите растений от вредных патогенов. Поскольку многолетнее сырье для биотоплива, такое как мискантус и подорожник, часто выбирается с целью увеличения площади поверхности листьев, ожидается, что понимание микробиома филлосферы и происходящих в нем взаимодействий между растениями и микробами сыграет очень важную роль в нашей способности улучшить производство сырья.
В недавно опубликованном исследовании «Сезонная активность филлосферного микробиома многолетних культур» исследователи использовали передовые методы секвенирования генов и биоинформационные инструменты, чтобы определить, какие микробы живут и растут на листьях биоэнергетических культур и как эти микробы реагируют на растения в течение вегетационного периода.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, было проведено исследователем темы устойчивого развития CABBI Адиной Хоу, адъюнкт-профессором сельскохозяйственной инженерии и биосистем Университета штата Айова; и Шейдом из GLBRC, адъюнкт-профессором наук о растениях, почве и микробиологии Мичиганского государственного университета.
«Известно, что у мискантуса и подорожника общие филлосферные микробы», — сказал Хоу. «В этом исследовании мы показываем, когда они активно растут, и определяем, что они делают. Живя на листьях, эти микробы могут биосинтезировать натуральные продукты, которые могут быть важны для реагирования растений на стрессовые факторы».
Чтобы изучить микробиомы листьев и их динамику в течение всего вегетационного периода, исследователи ежемесячно с мая по ноябрь собирали микробиомы листьев подорожника и мискантуса.
На основе этих образцов исследовательская группа секвенировала метагеномы и метатранскриптомы микробиомов. Метагеном — это совокупность всех генов, которые могут быть обнаружены у индивидов в группе (т.е. пул генов, которые потенциально могут быть экспрессированы), в то время как метатранскриптом конкретно относится к генам, которые активно экспрессируются индивидами в группе. Используя биоинформационные инструменты, были проанализированы метагеномы и метатранскриптомы микробиомов, выявив типы микробов, присутствующих в филлосфере, и экспрессию их генов в течение вегетационного периода.
Это исследование показывает, что листовые микробы активно растут и экспрессируют гены, которые продуцируют различные метаболиты. Например, гены, связанные с выработкой терпена, часто экспрессировались в филлосфере. Терпены интересны тем, что они используются в качестве сигнальных молекул в растениях и бактериях и могут помочь защитить растения от стресса. Терпены также участвуют в регулировании производства оксидов азота и метана, которые являются мощными парниковыми газами. Это исследование также показало, что различные группы микробов различались по численности и метаболическим функциям в течение вегетационного периода, что позволяет предположить, что они могут реагировать на различные сигналы растений.
В целом, это исследование указывает на специфические функции микроорганизмов, которые могут быть нацелены на будущее управление растительными микробами, что может быть использовано для стимулирования роста и жизнестойкости сельскохозяйственных культур.
Несмотря на свои размеры, жизнь на листе может стать одним из ключей к более устойчивому будущему.
Соавторами этого исследования являются члены команды GLBRC и сотрудники Nejc Stopnisek, Шейн Дули, Фан Янг и Кира Грейди.