Mikro-rewolucja: rolnicy wykorzystujący mikroby uratują świat przed głodem

Mikro-rewolucja: rolnicy wykorzystujący mikroby uratują świat przed głodem

Badanie mikrobiomów – bakterii, wirusów i grzybów żyjących na roślinach – pomoże rolnikom i organizacjom ochrony przyrody na dwa ważne sposoby w przyszłości. Po pierwsze, pożyteczne drobnoustroje zwiększają odporność roślin na choroby, co oznacza, że ​​istnieją duże szanse na uratowanie zagrożonych gatunków. Po drugie, wykorzystanie mikrobiologicznych pomocników w rolnictwie zwiększy plony i uratuje świat przed głodem. Hightech przetłumaczył i zaadaptował artykuł Science News, aby dowiedzieć się, jak tworzone są "szczepienia" dla odporności roślin, jakie antybiotyki są dla nich szkodliwe i dlaczego gatunki wymierają

Tajemnica endofitów

W 2015 r. Jeden z hawajskich pięknych dni Jeff Zahn i Anthony Amend odbyli ośmiogodzinną wędrówkę. Wspięli się na zieloną górę Oahu, machając komarami i mijając dziki w błocie. Udali się do miejsca, gdzie kilka miesięcy temu zasadzili ginący gatunek rośliny – Phyllostegia kaalaensis. To, co znaleźli, było nieprzyjemnym odkryciem dla obu.

Pomocnicy roślin. Phyllostegia kaalaensis rosła na grzbiecie Kuulau na Oahu do 1970 roku. Naukowcy poszukują mikrobów, które pomogą przywrócić do życia ten gatunek Zdjęcie: Unsplash

"Wszystkie rośliny umarły" – wspomina gorzko Zan, który od tego czasu został lekarzem na Uniwersytecie Hawajskim w Manoa. Dwóch ekologów znalazło tylko czerwone flagi umieszczone w miejscu każdego sadzenia i kilka martwych pni. Według Jeffa, to miejsce wyglądało jak cmentarz


Oahu to jedna z wysp hawajskich w centralnej części Oceanu Spokojnego, na której znajduje się stolica stanu Hawaje Honolulu.


Wszystkie rośliny z rodzaju menus pochodzą z rodziny Cluster, ale bez aromatu mentolowego, najprawdopodobniej zmarł z powodu mączniaka prawdziwego spowodowanego przez grzyby z gatunku Neoerysiphe galeopsidis. Dziś te białe rośliny kwitnące, pochodzące z Oahu, mogą przetrwać tylko w dwóch szklarniach na wyspie, otrzymując wsparcie rządowe i finansowanie. Dlaczego ten rodzaj mięty jest prawie wymarły, jest niejasny. Chociaż można to wytłumaczyć utratą siedlisk i atakowaniem mączniaka prawdziwego. Choroba wywołana przez grzyby infekuje rośliny w szklarniach, a badacze zakładają, że to ona zabiła wszystkie rośliny, które próbowały ponownie zasadzić na wolności.

Jeff Zahn nigdy wcześniej nie spotkał się tak blisko ze zniknięciem całego gatunku, a nawet groźbą wyginięcia. Wrócił do domu wypełniony chęcią pomocy małej mięty do powrotu do domu, do swojej ojczyzny

Rośliny, podobnie jak ludzie i inne zwierzęta, mają swoje własne mikrobiomy, bakterie, grzyby i inne mikroorganizmy żyjące na roślinach i roślinach. Niektóre, jak pleśń, atakują. Inne, wręcz przeciwnie, są użyteczne. Na jednej ulotce żyją miliony różnych drobnoustrojów. Mikroorganizmy w tkankach, które nie szkodzą swoim "właścicielom", nazywane są endofitami. Wiele z tych mikrobów wchodzi do rośliny z gleby i powietrza. Niektóre są przekazywane z pokolenia na pokolenie przez nasiona.


Endofity – mikroorganizmy, które w pewnych okolicznościach zamieszkują tkanki żywych roślin, nie powodując żadnych negatywnych konsekwencji dla ich funkcjonowania i rozwoju. Takie organizmy mogą obejmować grzyby i bakterie, rzadziej algi i wirusy. Związek endofitów i roślin jest często opisywany jako przykład symbiozy. Mikroorganizm endofitowy uwalnia substancje sprzyjające wzrostowi roślin lub substancje antybiotyczne, które hamują rozwój patogenów lub zapobiegają infekcji zdrowej rośliny przez patogeny, wypełniając trudną i bezpieczną niszę ekologiczną


Za sklepem ogrodniczym

Pewna owocna symbioza drobnoustrojów i roślin jest dobrze znana , istnieje już wiele takich produktów na sprzedaż. Na przykład ogrodnicy mogą dodawać pewne rodzaje zarazków do kubełków wody w celu irygacji, aby stymulować kwitnienie i poprawić odporność rośliny.

"Wiemy bardzo niewiele o tym, jak te wiązania bakteryjne i roślinne rzeczywiście działają" – mówi Jeff Dungl , genetyk z University of North Carolina w Chapel Hill. "Żaden z tych produktów ze sklepów ogrodniczych nie okazał się przydatny w przetwarzaniu dużych powierzchni."

Jednak w dużych gospodarstwach często stosuje się mikroby. Najczęściej używają mikroorganizmów, które pomagają korzeniom absorbować azot lepiej, mówi Dangle. Rośliny wykorzystują azot do produkcji chlorofilu do fotosyntezy.

Ale wkrótce rolnicy będą mieli więcej pomocników mikrobiologicznych. Naukowcy badający mikrobiomy roślin opisali liczne nowe połączenia między roślinami i drobnoustrojami, które pojawiły się w ostatnich dziesięcioleciach. Badacze ci twierdzą, że byli świadkiem tylko niewielkiej części nowych możliwości takich sojuszy. Wiele startupów angażuje się obecnie w odkrywanie i uwalnianie nowych produktów, w których mikroorganizmy są zaangażowane w taki czy inny sposób.

"W ciągu ostatnich pięciu lat nastąpił ogromny skok w tej dziedzinie", mówi Dungle. Sam Jeff Dungl stworzył AgBiome, które wkrótce uwolni preparaty bakteryjne, które według producenta skutecznie zwalczą choroby grzybowe.



Rolnicze giganty, takie jak Bayer AG, który niedawno połknął Monsanto, zainwestują także setki milionów dolarów w możliwość traktowania roślin za pomocą mikroorganizmów.

Naukowcy mają nadzieję, że drobnoustroje będą gwarantem ogromnego przełomu w rolnictwie – prawdziwa rewolucja, która jest niezbędna w naszych czasach. Oczekuje się, że populacja wzrośnie z 7,6 miliarda ludzi do prawie 10 miliardów ludzi do 2050 roku, co oznacza, że ​​zapotrzebowanie na paszę roślinną, błonnik i paszę dla zwierząt podwoi się.

"Musimy zwiększyć zbiory", zauważa Posey Busby. , ekolog z Uniwersytetu Oregon w Corvallis. "Jeśli potrafimy zarządzać mikrobiomami, to będzie to nasze główne narzędzie do zwiększania plonów w warunkach rolniczych." Tymczasem naukowcy badają mikrobiomy, aby uratować zagrożone rośliny.

Ale zanim stworzymy bazę dla rozwoju rolnictwa i zachowania gatunków w oparciu o pracę mikroorganizmów, odpowiedzieć na wiele pytań. Niektóre z nich polegają na złożoności interakcji między roślinami, ich różnorodnymi mieszkańcami mikrobiologicznymi i środowiskiem, w którym żyją. Trudność polega na tym, że mikroby, które pomagają niektórym roślinom, pod pewnymi warunkami, mogą szkodzić innym, w innych miejscach ostrzega mikrobiolog Luis Mejia z Instytutu Badań Naukowych i Zaawansowanych Technologii w Panamie.

Uratuj czekoladki!

Siew kakao i, w konsekwencji, cenne rezerwy wszystkich M & M's ludzkości są stale zagrożone ze względu na szkodliwe grzyby, takie jak Phytophthora palmivora. Powodują one czarną pleśń na skorupie owocu kakaowego. Ale dobrzy ludzie żyją w mikrobiomie kakao, zwłaszcza grzyba Colletotrichum tropicale, który, przeciwnie, wydaje się chronić drzewa.

W zdrowych strąkach kakao (po lewej) ziarna kakaowca rosną w białej skorupie. Grzyb, który powoduje czarną zgniliznę samego strąka (po prawej) jest globalnym zagrożeniem dla plantacji. Zdjęcie: Chang / iStock; Scot Nelson / Flickr

Natalie Christian, absolwentka Uniwersytetu Indiana w Bloomington, w 2014 r. Udała się do Smithsonian Tropical Research Institute na wyspę Barro-Colorado w Panamie, aby zbadać, jak pewne drobnoustroje tworzą kolonie i wpływają na rośliny kakaowca (Theobroma kakao). Christian zasugerował, że upadłe gnijące liście lasu deszczowego lub ogrodu byłyby głównym źródłem mikrobiomu młodego drzewa kakaowego.

Aby sprawdzić to przypuszczenie i zobaczyć, które mikroby pobrane z liści są przypuszczalnie użyteczne dla kakao, Christian stał się "sterylny", drzewo kakaowe niezakażone grzybami w inkubatorze laboratoryjnym. Kiedy rośliny osiągnęły pół metra, umieściła je w doniczkach na ulicy, posypując niektóre z nich liściem próchnicy na zdrowym drzewie kakaowym, robiąc łóżko innym drzewom dla innych i zostawiając niektóre z nich bez ściółki. Dwa tygodnie później zwróciła rośliny do szklarni, aby przeanalizować ich mikrobiomy. Kobieta znalazła około 300 gatunków endofitów, które ona, Mejia i ich koledzy opisali w zeszłym roku w "Works of the Royal Society B."

Struktura mikrobiomów różniła się w zależności od miotu, w którym roślina była rozprowadzana. Rośliny w doniczkach z każdym ściółkiem miały mniej zróżnicowane mikrobiomy niż te bez ściółki. Wynikało to prawdopodobnie z faktu, że zarazki z tego miotu szybko zajęły całą przestrzeń, zanim inne gatunki mogły się rozmnażać w tym samym środowisku. Wyniki te pokazują, że sadzonki w cieniu bardziej dojrzałych drzew prawdopodobnie częściowo replikują swoje genomy.

Aby upewnić się, że niektóre z tych drobnoustrojów przeniesionych z innych roślin chronią kakao przed patogenami, Christian stracił trochę czarnej rośliny strączkowej na liściach roślin w każdej grupie. Po trzech tygodniach zmierzyła wielkość gnilnych plam.

Kakao na pościeli liści swoich krewnych odniosło najmniejsze obrażenia. Grupa z próchnicą innych drzew była nieznacznie uszkodzona, a rośliny bez wierzchniego opatrunku miały około dwa razy więcej szkód niż grupa z mieszanym humusem.

"Kontakt z pościelą drzewa macierzystego lub coś w tym rodzaju miało bardzo silny pozytywny wpływ na odporność tych młodych roślin" , Mówi biolog Keith Clay z Uniwersytetu Tulan w Nowym Orleanie, współautor badania

Naukowcom trudno jest dokładnie odpowiedzieć, w jaki sposób "dobre" grzyby chronią rośliny przed gniciem. Według Natalie Christian, możliwe jest, że zdrowe grzyby po prostu odbywają się wewnątrz lub na liściach, nie pozostawiając miejsca dla niechcianych gości. Albo obrońca drobnoustrojów, taki jak C. tropicale, może zaatakować patogenem czymś podobnym do broni chemicznej. W przypadku kakao wierzy, że najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem jest to, że przyjaciele grzybów działają jak rodzaj szczepionki, kontrolując układ odpornościowy rośliny, aby zniechęcić do zgnilizny. Na poparcie tego pomysłu jej koleżanka Mejia powiedziała w programie Frontiers in Microbiology w 2014 roku, że C. tropicale pomaga kakao włączać geny ochronne.

Rolnicy kakao powinni wysłuchać naukowców i ponownie rozważyć ich poglądy na temat pielęgnacji drzew. Rolnicy zazwyczaj czyszczą opadłe liście w ogrodach, aby uniknąć przenoszenia patogenów z gnijących liści do żywych drzew, mówi Christian, obecnie lekarz z University of Illinois w Urbana-Champaign. Ale jej praca sugeruje, że bardziej opłacalne dla rolników jest zrobienie śmieci z opadłych liści zdrowych drzew dla młodych sadzonek.


Ochrona rośnie

Po uprawie kakao rośliny z ściółką wokół korzeni lub bez nich naukowcy zainfekowali rośliny czarnym grzybem i mierzyli uszkodzenia spowodowane przez gnicie. Najbardziej pożyteczne dla roślin były mikroby z kakao, ale nawet mieszane złoże liści z innych drzew zapewniało ochronę przed grzybami.


Jak zwiększyć plony

Humus jest nisko technicznym sposobem rozprzestrzeniania się całych kolonii drobnoustrojów – zarówno dobrych, jak i złych. Ale firmy rolnicze chcą izolować tylko pożyteczne mikroby i stosować je w rolnictwie. Polowanie na dobre zarazki rozpoczyna się od spaceru po polach upraw, powiedział Barry Goldman, wiceprezes i szef odkryć naukowych w Indigo Ag w Bostonie. Najprawdopodobniej wybierzesz większe i bardziej odporne rośliny spośród wszystkich. Wewnątrz tych najlepszych roślin Indigo znalazł endofity, które zwiększają siłę i rozmiar roślin oraz inne, które chronią przed suszą.

Firmy pracujące z bawełną, kukurydzą, ryżem, soją i pszenicą, pokrywają nasiona roślin tymi drobnoustrojami . Jak tylko kiełkują nasiona, zarazki pokrywają liście kiełków i mogą przenikać przez pęknięcia w korzeniach lub przez szparki, drobne pory w liściach. Proces ten jest zbliżony do tego, co dzieje się, gdy dziecko podróżuje przez kanał rodny, zbierając pożyteczne mikroorganizmy.

Przetwarzanie drobnoustrojów nasion bawełny Indigo Ag prowadzi do większych, bardziej płodnych roślin w warunkach niedostatecznego podlewania w porównaniu do roślin nietraktowanych

. , pierwsza generacja pszenicy Indigo w 2016 roku wzrosła z nasion traktowanych korzystnymi mikroorganizmami. Na polach doświadczalnych w Kansas takie przetwarzanie zwiększyło plony o 8-19%.

Farmerzy zgłaszają również zwiększenie odporności roślin na suszę. W ciągu pierwszych sześciu miesięcy 2018 roku, podczas których w eksperymencie uczestniczyły tylko dwa deszcze, rolnicy z Kansas uprawiali i zaorali pola zwykłą pszenicą, która zachowała zdolność do walki z pszenicą indygo rosnącą na tym terenie przed tą ziemią.

Louis NewLeaf Symbiotics zajmuje się bakteriami z rodzaju Methylobacterium. Mikroby występujące na wszystkich roślinach są znane jako metylootrofy, ponieważ absorbują metanol, który rośliny wydzielają w miarę wzrostu ich komórek. W zamian za metanol, M-trofea, jak nazywa je NewLeaf, zapewniają roślinom korzystną współpracę. Niektóre z nich wytwarzają cząsteczki stymulujące wzrost roślin. Inne pomagają w kiełkowaniu szybciej i skuteczniej lub chronią przed szkodliwymi grzybami.

W tym roku NewLeaf wprowadził na rynek swoje pierwsze produkty, w tym Terrasym 401 – zaprawianie nasion soją. W ciągu czterech lat testów terenowych Terrasym 401 zwiększył plony w terenie o więcej niż dwa buszle na akr – mówi współzałożyciel NewLeaf i dyrektor generalny Tom Laurita. Jeden buszel kosztuje około 9 USD. W gospodarstwach o powierzchni tysięcy akrów zabieg ten przynosi znaczne zyski.


Buszel to jednostka objętości używana w angielskim systemie miar, równa 36,3 litra. Jest używany do mierzenia towarów masowych, głównie rolniczych, ale nie do płynów.

Akr to miara ziemi w Anglii i Ameryce, równy 4047 metrów kwadratowych. m.


Rolnicy są zadowoleni, ale praca NewLeaf i Indigo nie może być uznana za kompletną. Firmy produkujące mikrobiom stoją przed różnymi wyzwaniami. Po pierwsze, różnorodne warunki uprawy roślin. Fakt, że pszenica Indigo pomyślnie pokazał się w Kansas, nie oznacza, że ​​te same odmiany mogą być łatwo i prosto przeniesione, powiedzmy, do Północnej Dakoty. "Wielkim pytaniem dla firm biotechnologicznych nowej generacji, takich jak AgBiome czy Indigo, jest to, czy ich produkty będą działać tak, jak są reklamowane w różnych warunkach polowych" – mówi Dunghl.

Po naciśnięciu na płytkę składników odżywczych, które wspomagają mikroby zasilające metanol, liść soi pozostawia plamy rosnących bakterii. Bakterie te mogą pomóc w wyhodowaniu silniejszych roślin Zdjęcie: Newleaf Symbiotics

Innym problemem jest to, że pola i rośliny mają już swoje własne mikrobiomy. "Zamierzamy wysłać kolonię drobnoustrojów lub kilka rodzajów mikroorganizmów, aby zaatakować istniejący ekosystem i wykonać ich pracę," powiedział Dangle ostrożnie. Firmy będą musiały się upewnić, że wygrywają ich mikroby.

Chociaż naukowcy doskonale zdają sobie sprawę, że różne wspólnoty drobnoustrojów współdziałają ze sobą, aby wpływać na zdrowie roślin, większość firm pracuje z jednym rodzajem drobnoustrojów. Indigo jeszcze nie wie, jak zacząć pracować z całymi mikrobiomami, mówi Goldman, ale "dużo o tym myślą".

Badacze zaczęli rozwiązywać te problemy, badając drobnoustroje w koloniach – na przykład drobnoustroje w liściach chrześcijańskich, zamiast pojedynczych gatunków. W laboratorium Dungle opracował syntetyczną społeczność złożoną z 188 mikrobów. On stosuje je do roślin cierpiących z powodu suszy lub ciepła, a następnie obserwuje, jak kolonie reagują i wpływają na rośliny.

Głównym celem jest zidentyfikowanie czynników, które determinują udział w mikrobiomie. Co wpływa na to, kto dostanie miejsce w kolonii na roślinie? Как виды растений и среда влияют на микробиомы? Как растения настроены по отношению к микроорганизмам извне, способны ли они с ними подружиться? «Это очень большая работа», — уверен Дангл.

Есть некоторый риск добавления микробов к культурам, и пока такие вопросы остаются без ответа, об этом предостерегает Мехиа. Микробы, которые полезны в одной ситуации, могут быть вредными в других растениях или в разных средах. Это не надуманный сценарий: есть грибковый эндофит южноамериканской пальмы, которая предотвращает заражение жуками, когда деревья находятся в тени. Однако под солнцем грибок становится вредоносным, извергая перекись водорода, которая убивает растительные ткани.

И хотя C. tropicale помогает какао, этот вид имеет и темную сторону: многие виды Colletotrichum могут вызывать поражения листьев и гнилостные пятна на плодах или цветках на различных растениях от авокадо до цинний.

Спасительные микробы

Вернувшись на Гавайи, после своего удручающего похода на «кладбище» P. kaalaensis, Джефф Зан задумался о том, как защитить местные растения в диких условиях, например, в горах Оаху.

Подоб о людям, которых, по мнению Зана, антибиотики могут оставить уязвимым для заражения вредными микробами, навредив популяции микроорганизмов, P. kaalaensis получила аналогичное лечение в теплице, где растение регулярно обрабатывалось фунгицидами. Джефф понял, что лечение, вероятно, уменьшило колонии микроорганизмов, лишило их естественного микробиома и ослабило их иммунную систему, оставив беззащитными перед угрожающим вирусом плесени, когда-то попавшей в джунгли.

Людям, принимавшим антибиотики, пробиотики — полезные бактерии — могут помочь восстановить равновесие. Зан подумал, что подобная стратегия, применение своего рода пробиотика для растений может помочь защитить маленькую мяту при будущих попытках вернуть ее в естественную дикую природу.

В качестве пробиотика Зан решил использовать «двоюродного братишку» маленькой мяты, Phyllostegia hirsuta, который более закален и способен выжить в дикой природе. Он измельчал листья P. hirsuta в блендере и распылял получившуюся суспензию на мяту, растущую в инкубаторе.

Затем Зан отправлял лист, зараженный мучнистой росой, в воздухозаборник инкубатора. Мята, обработанная суспензией из листьев своего родича, переносила легче тяжелые инфекции по сравнению с необработанными растениями. Об этом Зан вместе со своим коллегой Энтони Амендом, также работающим в Гавайском университете в Маноа, сообщили в прошлом году в PeerJ. Пробиотик сработал!

Зан использовал секвенирование ДНК для идентификации микробов в суспензии. «Братишка» помогает маленькой мяте, но ученый считает, что он нашел защитника посерьезнее — дрожжи под названием Pseudozyma aphidis, которые живут на листьях растений.

«Эти дрожжи обычно просто пассивно поглощают питательные вещества из окружающей среды, — говорит Зан. — Но, если навести их на нужного противника, они превратятся в настоящего зверя. Когда споры плесени окружают их, у дрожжей начинают расти щупальцеобразные нити, которые, как мне кажется, обволакивают и питаются вредной плесенью».


Секвенирование — общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Существуют два основных метода секвенирования ДНК: химический и ферментативный.


Ободренный полученными результатами, Зан вернулся в джунгли и посадил шесть растений, обработанных суспензией, в апреле 2016 года. Они прожили около двух лет, но к маю 2018 года все равно погибли.

Плесень атакует Phyllostegia kaalaensis (слева), мешая тому, чтобы растение росло в дикой природе. Но полезные дрожжи (палочки, справа), найденные на листе другого вида Phyllostegia, выпускают нити, которые атакуют плесень (картинка при увеличении) и защищают растения.

«Я считаю: несмотря ни на что, это была огромная победа», — говорит Николь Хинсон, общественный эколог Маноа. В конце концов, мята без пробиотиков жила всего несколько месяцев. И применение пробиотиков может быть протестировано и вне исследования одной маленькой мяты, добавляет Хинсон: «Мы действительно начинаем думать о том, как мы можем использовать микробиомы для решения проблемы восстановления растений».

Зан с тех пор переехал в Университет Юта Вэлли в Ореме, где он надеется помочь находящимся под угрозой исчезновения кактусам с помощью микробов. Он передал свой проект Phyllostegia Джерри Коко, аспиранту в лаборатории Хейнсона. Коко изучает, как дрожжи и некоторые корневые грибы защищают это растение.

Хинсон говорит, что их цель состоит в том, чтобы придумать «суперплан». С распыленными пробиотиками и на корнях, и на побегах «прокачанная» мята должна хорошо потренироваться, чтобы стать сильной и научиться сопротивляться плесени. В тепличных экспериментах, по словам Коко, растения с обоими видами полезных микробов даже визуально имеют меньше мелких пятен с мучнистой росой, чем растения, которые не получали пробиотического лечения.

Да, восстановление маленького цветущего растения или нескольких бушелей соевых бобов могут показаться несущественными победами. Но они могут предвещать большие успехи для помощи микробиомов растений и в сохранении отдельно взятых видах, и в сельском хозяйстве. Может так случится, что фермеры и защитники природы в будущем станут высаживать и обрабатывать не только сами растения, но и их микроскопических помощников.

Powiązane wiadomości