От корней к устойчивости: Исследование жизненно важной роли микробов в здоровье прибрежных растений
Солёные марши Джорджии, расположенные на границе суши и океана, тянутся вдоль всего 100-мильного побережья штата. Эти богатые экосистемы в значительной степени доминирует всего одно растение: трава.
Известная как спартина, или кордграсс, эта трава является экосистемным инженером: она создаёт среду обитания для диких животных, естественным образом очищает воду, движущуюся из внутренних районов к морю, и удерживает береговую линию от разрушения. Спартина даже защищает человеческие сообщества от приливных нагонов.
Понимание того, как эти растения остаются здоровыми, имеет решающее экологическое значение. Например, одним известным стрессовым фактором, распространённым в почвах маршей, является растворённое соединение серы — сульфид, который производят и потребляют бактерии. Благодаря недавним достижениям в геномных технологиях биологи из Технологического института Джорджии начали раскрывать ранее неизвестные экологические процессы.
Работа команды была опубликована в Nature Communications.
Джоэл Коска, выдающийся профессор и заместитель заведующего кафедрой по исследованиям в Школе биологических наук, и Хосе Луис Роландо, постдокторант, исследовали взаимосвязь между спартиной Spartina alterniflora и микробными сообществами, населяющими её корни, идентифицируя бактерии и их функции.
"Так же, как у людей есть кишечные микробы, которые поддерживают наше здоровье, растения зависят от микробов в своих тканях для здоровья, иммунитета, метаболизма и усвоения питательных веществ", — сказал Коска.
В маршах
Основной способ получения растениями питательных веществ — фиксация азота, процесс, при котором бактерии преобразуют азот в форму, доступную для растений. В маршах эту роль в основном приписывали гетеротрофам — бактериям, которые растут и получают энергию из органического углерода. Бактерии, потребляющие токсин растений сульфид, являются хемоавтотрофами, использующими энергию окисления сульфида для усвоения углекислого газа и создания собственного органического углерода для роста.
"Из предыдущих работ мы знали, что в корнях Spartina alterniflora обитают серные бактерии двух типов: сероокисляющие, которые используют сульфид в качестве источника энергии, и сульфатредуцирующие, которые восстанавливают сульфат и производят сульфид — известный токсин для растений", — сказал Роландо. — "Мы хотели больше узнать о роли этих различных серных бактерий в цикле азота".
Исследователи отправились на остров Сапело в Джорджии, где регулярно проводят полевые работы. Собрав образцы кордграсса и прилипшего к корням илистого осадка, команда в полевой лаборатории аккуратно отделила корни растений.
Затем они использовали специальную технику с более тяжёлыми версиями химических элементов в качестве трассеров для отслеживания микробных процессов. Они также проанализировали ДНК и РНК микробов, живущих в разных частях растений.
С помощью технологии секвенирования, известной как шотган-метагеномика, они смогли извлечь ДНК из всего микробного сообщества и восстановить геномы вновь открытых организмов. Анализ РНК позволил оценить, какие виды микробов и конкретные функции были активны в тесной связи с корнями растений.
Используя эту комбинацию методов, они обнаружили, что хемоавтотрофные сероокисляющие бактерии также участвуют в фиксации азота. Эти бактерии не только помогали растениям, детоксифицируя зону корней, но и играли решающую роль в обеспечении растений азотом. Эта двойная роль бактерий в круговороте серы и фиксации азота подчёркивает их важность в прибрежных экосистемах и их вклад в здоровье и рост растений.
"Растения, растущие в районах с высоким уровнем накопления сульфида, как правило, меньше и менее здоровы", — сказал Роландо. — "Однако мы обнаружили, что микробные сообщества внутри корней спартины помогают детоксифицировать сульфид, повышая здоровье и устойчивость растений".
От локального к глобальному значению
Кордграсс доминирует не только в маршах Джорджии, но и во всех маршевых ландшафтах юго-востока США, включая побережье Мексиканского залива. Более того, исследователи обнаружили, что одни и те же бактерии связаны с корнями спартины, мангровых зарослей и морских трав в прибрежных экосистемах по всей планете.
"Значительная часть береговой линии в тропическом и умеренном климате покрыта прибрежными водно-болотными угодьями", — сказал Роландо. — "Эти районы, вероятно, содержат аналогичные микробные симбиозы, а это означает, что эти взаимодействия влияют на функционирование экосистем в глобальном масштабе".
В дальнейшем исследователи планируют более подробно изучить, как растения маршей и микробы обмениваются азотом и углеродом, используя современные методы микроскопии в сочетании с масс-спектрометрией сверхвысокого разрешения, чтобы подтвердить свои выводы на уровне отдельных клеток.
"Наука следует за технологиями, и мы были рады использовать новейшие геномные методы, чтобы увидеть, какие типы бактерий там присутствуют и активны", — сказал Коска. — "Предстоит ещё многое узнать о сложных взаимоотношениях между растениями и микробами в прибрежных экосистемах, и мы начинаем раскрывать масштабы микробной сложности, которая поддерживает здоровье маршей".