Мультимасштабное исследование выявило микробы, влияющие на реакцию сорго на засуху

Засуха — одна из главных угроз для сельского хозяйства, ведущая к нестабильным урожаям, падению доходов фермеров и вспышкам болезней. С 1980-х годов только в США ущерб от засухи составил $249 млрд. Одно из потенциальных решений для повышения устойчивости культур — инокуляция семян бактериями, так называемыми растительными «пробиотиками», которые улучшают засухоустойчивость. Хотя в лабораториях выявлено много перспективных микробов, воспроизвести их эффективность в полевых условиях сложно из-за высокой изменчивости окружающей среды.

Новое исследование под руководством Ребекки Барт, доктора философии, ассоциированного сотрудника Donald Danforth Plant Science Center, и её коллег было направлено на преодоление разрыва между лабораторными и полевыми исследованиями взаимодействия культур и микробов и их влияния на засухоустойчивость. Эта работа может ускорить адаптацию культур к засухе и сделать лабораторные открытия полезными для фермеров. Результаты опубликованы в The ISME Journal и eLife.

Авторы использовали системный подход для выявления микробов, влияющих на реакцию сорго на засуху, от «стерильных, контролируемых условий» в лаборатории до полевых экспериментов со сложными свойствами почвы, неровным рельефом и неравномерным накоплением влаги. Команда обнаружила, что как минимум шесть микробов, вызывавших дефекты развития корней в лаборатории (задерживая рост проростков сорго), также негативно влияли на рост сорго в поле.

«Ключевое достижение здесь в том, что мы наблюдали схожие закономерности в контролируемой среде и в поле. Этот результат говорит нам, что наши лабораторные наблюдения реальны и значимы для сельского хозяйства», — заявила Барт. Примечательно, что исследовательская группа также выявила новый микроорганизм, стимулирующий рост корней — критически важную характеристику для улучшения устойчивости к засухе.

Исследование, длившееся пять лет, столкнулось с вызовами. «Изменчивость окружающей среды делает реальный мир «шумным» местом для науки», — отметил первый автор и старший специалист по данным Дэнфорт-центра Джеффри Берри. Авторам потребовалось разработать модель, учитывающую мешающие биологические переменные в полевых экспериментах, такие как pH почвы и содержание фосфатов, которые могут сильно варьироваться в пределах одного участка.

Объединив большие многомерные наборы данных от коллег из нескольких институтов (Университет Небраски-Линкольна, Университет штата Айова, Университет штата Вашингтон, Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл, Университет штата Колорадо и Объединённый институт генома), Берри смог использовать сложные вычислительные модели для понимания и преодоления вариабельности в поле.

Результатом стала первая в своём роде статистическая модель, учитывающая свойства почвы, влияющие на признаки как у культур, так и у микробов. Теперь авторы могли сравнивать результаты между лабораторией и полем, не беспокоясь о том, как изменчивость среды может искажать полевые наблюдения. «Джефф выяснил, как соединить действительно сложные части головоломки», — заключила Барт.

Помимо работы со сложной статистикой и сотрудничества с учёными по всей стране, часть успеха команды связана с доступом к уникальной исследовательской инфраструктуре Дэнфорт-центра. Например, авторы использовали The Bellwether Foundation Phenotyping Facility для визуализации и количественной оценки влияния засухи и обработки микробами на рост и развитие сорго в рамках контролируемых лабораторных экспериментов.

Команда начинает воспроизводить свою методологию на других культурах, например, кукурузе. Будущие исследования по этой работе будут проводиться в новом Центре подземных влияний на азот и углерод (SINC) Дэнфорт-центра, которым совместно руководят Барт и три других сотрудника центра.