Микробы способствуют распространению инвазивных растений, меняя химию почвы

Инвазивные виды — одна из главных угроз для биоразнообразия. Укоренившись, они меняют химический состав почвы и круговорот питательных веществ в экосистеме. Это влияет не только на состав и разнообразие растительных сообществ, но и на глобальные циклы углерода и азота. И растения, и захватчики формируют тесные связи с почвенными бактериями, которые помогают преобразовывать элементы в биодоступные формы. Остаётся вопрос: дают ли микробы инвазивным растениям преимущество, меняя почвенную биогеохимию?

Инвазивные виды часто приходят вместе со своими микроорганизмами, которые живут как в клетках растений, так и в почве вокруг корней. Эти микробы образуют мутуалистические связи с растением-хозяином. Некоторые преобразуют атмосферный азот в биодоступные формы в обмен на углерод от растения. Биодоступный азот часто лимитирует рост, однако в экосистемах, захваченных инвазивными видами, обычно больше углерода и азота в тканях растений и почве по сравнению с территориями, где доминируют аборигенные виды. Поскольку изменения в цикле азота в почве обусловлены микробами, могут ли бактерии, связанные с инвазивными видами, не только менять концентрацию питательных веществ в почве, но и обеспечивать рост и устойчивость самих захватчиков?

Именно эти вопросы возникли у Мэрни Раут (Университет Северного Техаса), когда она, будучи аспиранткой, увидела остатки высокотравной прерии в Северном Техасе, захваченные экзотической травой.

"Буквально казалось, что кто-то провёл линию через поле, — объяснила Раут. — С одной стороны была родная прерия, с другой — монокультура инвазивного Sorghum. Растение вторгалось, как армия, формируя чёткую видимую границу".

Последующий поиск литературы показал, что сахарный тростник, важная сельскохозяйственная культура, является азотфиксатором, содержащим бактериальные эндофиты. Раут заинтересовалась, могут ли микробы, обнаруженные ею и её коллегой Томом Хржановски (Техасский университет в Арлингтоне) в инвазивном Sorghum, обеспечивать аналогичные преимущества этому захватчику.

Раут и её коллеги из Университета Монтаны, Техасского университета в Арлингтоне и Вашингтонского университета исследовали, связаны ли различия в концентрации питательных веществ в захваченной прерии с метаболическими процессами бактериального микробиома инвазивной травы, и определяют ли эти микробные агенты её распространение и устойчивость. Результаты опубликованы в специальном разделе American Journal of Botany.

"Явления, приписываемые взаимодействиям "растение-растение", таким как конкуренция и фасилитация, вероятно, в большей степени регулируются микробами, чем мы думали, — отметила Раут. — Изучение нарушений экосистем, подобных инвазиям растений, даёт нам окно в процесс коэволюции, который мы обычно не можем наблюдать в течение человеческой жизни".

Идеальной моделью для проверки гипотез стало стремительное распространение инвазивной травы Sorghum halepense в высокотравной прерии, ранее доминируемой местным видом Schizachyrium scoparium. За 25 лет захватчик продвигался со скоростью почти 0.5 метра в год и полностью доминировал на территории.

Исследователи подтвердили, что в захваченных почвах действительно выше уровни азота, фосфора и производных железа по сравнению с почвами, где доминируют аборигенные растения. Затем они проверили, могут ли взаимодействия между инвазивной травой и почвенной биотой быть причиной этих изменений.

Выделив пять штаммов бактериальных эндофитов из корневищ (подземных стеблей) S. halepense и вырастив их в лаборатории на разных субстратах, авторы установили, что эти микробы способны фиксировать и мобилизовать азот, фосфор и железо. Все три элемента важны для роста растений, но некоторые производились в избытке. Количество производимого железа достигало уровней, токсичных для многих сельскохозяйственных культур и потенциально ингибирующих восстановление аборигенных видов.

Кроме того, авторы показали, что инвазивное растение не только может приобретать микробов из окружающей среды, но и передавать их следующему поколению через семена. В серии сложных экспериментов с выращиванием проростков из стерилизованных семян в почвах с дефицитом или избытком азота и с разными наборами почвенных микробов, Раут и коллеги продемонстрировали, что эти микробы позволяют траве производить в 5 раз больше корневищ — основной механизм вторжения этого вида.

Эти данные дают новое понимание того, как инвазивное растение может использовать почвенную биоту в своих интересах, изменяя окружающую среду и экосистему. Приобретая почвенные бактерии, S. halepense увеличивает количество биодоступного азота и фосфора в почве, что стимулирует производство корневищ и надземной биомассы, облегчая его распространение и укоренение. Более того, эти изменения в химии почвы не только повышают конкурентоспособность инвазивного вида, но и могут подавлять или уничтожать местные виды.

"Это исследование показывает, что макромасштабные наблюдения, такие как экспрессия признаков растений и функции экосистемы (например, круговорот питательных веществ), более тесно связаны с микромасштабными влияниями, чем мы могли ожидать", — резюмирует Раут.

Раут продолжает изучать бактериальные эндофиты, сейчас с генетической точки зрения, чтобы лучше понять сложную коммуникацию между микробиомом и растением.

"В условиях растущего населения и необходимости решения глобального продовольственного кризиса в ближайшие десятилетия, инвазивные растения и их микробиомы могут оказаться полезными для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Микробиом корней так же важен для здоровья растений и продуктивности сельского хозяйства, как микробиом человека — для здоровья человека".