Снижение зависимости от азотных удобрений с помощью биологической азотфиксации
Урожайность сельскохозяйственных культур значительно выросла за последние десятилетия, что сопровождалось увеличением использования азотных удобрений. Хотя азотные удобрения полезны для роста растений, они негативно влияют на окружающую среду и климат, поскольку для их производства требуется большое количество энергии. Учёные ищут пути развития более устойчивых методов, обеспечивающих высокую урожайность при сниженных затратах.
«Более устойчивый способ обеспечения культур азотом — использование биологической азотфиксации, метода, хорошо разработанного для бобовых культур», — говорит фитопатолог Гэри Стэйси из Университета Миссури. «Различные азотфиксирующие бактерии обычны в ризосфере большинства растений. Однако такие бактерии, стимулирующие рост растений (plant growth promoting bacteria, PGPB), нашли лишь ограниченное применение в качестве инокулянтов в сельском хозяйстве».
Стэйси и его коллеги полагают, что это ограниченное использование связано с общими проблемами применения биологических препаратов в растениеводстве и вариабельной эффективностью после внесения. Они провели исследование, чтобы лучше понять метаболический ответ растения-хозяина и снизить вариабельность реакции культур на PGPB.
«Одна из сложностей в нашем исследовании заключается в том, что, хотя PGPB могут колонизировать корни в больших количествах, места колонизации могут быть сильно локализованы, — пояснил Стэйси. — Следовательно, выделение целых корней приводит к значительному разбавлению любого сигнала из-за того, что подавляющее большинство корневых клеток не контактирует с бактериями».
Чтобы преодолеть эту проблему, Стэйси и его команда использовали масс-спектрометрию с лазерной абляцией и электроспрейной ионизацией (laser ablation electrospray ionization mass spectrometry, LAESI-MS). Это позволило им отбирать пробы только с тех участков, которые были инфицированы бактериями, локализовать которые удалось благодаря экспрессии зелёного флуоресцентного белка.
Их результаты показали, что бактериальная колонизация приводит к значительным сдвигам в метаболизме растения. Некоторые метаболиты были значительно более обильными в инокулированных растениях, а другие, включая метаболиты, указывающие на азот, были снижены в корнях неинокулированных растений или растений, инокулированных бактериальным штаммом, неспособным фиксировать азот (fix- штамм).
«Интересно, что соединения, участвующие в биосинтезе индол-алкалоидов, были более обильны в корнях, колонизированных fix- штаммом, что, возможно, отражает защитный ответ растения, — отметил Стэйси. — В конечном итоге, с помощью таких исследований мы надеемся определить молекулярные механизмы, с помощью которых PGPB стимулируют рост растений, чтобы разработать эффективные и стабильные протоколы инокуляции для повышения продуктивности культур».
Лаборатория Стэйси давно интересуется биологической азотфиксацией (БАФ) и взаимодействиями растений и микробов в целом. Со времени открытия БАФ их целью было перенести её преимущества на небобовые культуры, такие как кукуруза. PGPB обладают этой способностью в природе, но она не была адекватно использована для практического сельскохозяйственного производства.
«Мы считаем, что, в отличие от других, лучше изученных взаимодействий, таких как ризобий-бобовые, это связано с общим недостатком информации о молекулярных механизмах, с помощью которых PGPB стимулируют рост растений. Поэтому мы начали в нашей лаборатории проекты, направленные на получение этой информации, в уверенности, что она повысит эффективность инокулянтов PGPB и, как следствие, увеличит их использование в растениеводстве».
Стэйси и его команда были больше всего удивлены, обнаружив, что они не увидели значительного влияния на продукцию фитогормонов, которое тесно коррелировало бы со способностью PGPB усиливать рост растений. Это говорит о том, что PGPB влияют на метаболизм растений в большей степени, чем предполагалось ранее, указывая, возможно, на более сложные объяснения того, как эти бактерии влияют на рост растений.