Дослідники ідентифікують мікроби, які допомагають сорго перешкоджати паразитам

Дослідники Каліфорнійського університету в Девісі виявили бактерії, які можуть допомогти одній із основних культур Африки протистояти головним шкідникам. Висновки науковців, опубліковані 26 березня в Cell Reports, можуть підвищити врожайність сорго, основного продукту харчування та напоїв у країнах Західної та Східної Африки.

Близько 20 відсотків врожаю сорго в Африці втрачається через “відьму” або “відьмака” (Striga hermonthica), паразитичну рослину, яка викрадає поживні речовини та воду, чіпляючись за коріння рослини.

Посіви сорго в Африці на південь від Сахари зазнають серйозних втрат від паразитичної рослини. Нове дослідження показує, як ґрунтові мікроби можуть допомогти захистити сорго від цього шкідника та можуть бути основою для обробки ґрунту пробіотиками.

У новому дослідженні дослідники Каліфорнійського університету в Девісі показали, що ґрунтові мікроби викликають зміни в коренях сорго, які роблять рослину більш стійкою до зараження. Науковці ідентифікували конкретні штами бактерій, які викликають ці риси резистентності, і можуть бути застосовані як ґрунтовий «пробіотик» для підвищення врожайності сорго в майбутньому.

“Ці мікроби мають великі перспективи як добавки до ґрунту, які можуть допомогти фермерам успішно вирощувати сорго в Африці на південь від Сахари”, — сказав професор Департаменту біології рослин і Центру геному та старший автор статті, Шівон Брейді.

“Відьма” є серйозною проблемою для дрібних фермерів в Африці на південь від Сахари. Рослини-паразити виробляють тисячі крихітних насінин, які можуть залишатися в стані спокою в ґрунті до 20 років, що робить їх надзвичайно стійкими до знищення. Сучасні методи боротьби, які включають застосування хімічних речовин, сівозміну та розведення стійкого сорго, досягли лише часткового контролю, і багато з них недоступні для фермерів, які цього найбільше потребують.

Докторантка Дорота Кава працювала разом з Брейді та його співробітниками в Нідерландах та Ефіопії, щоб показати, що ґрунтові мікроби можуть поліпшити ситуацію із сорго.

«Це перший приклад, який показує, як мікроби можуть індукувати зміни в клітинах кореня хазяїна, пов’язані з придушенням “відьми”», — сказав Брейді.

Коли рослини сорго опиняються в ґрунті з низьким вмістом фосфатів, вони виділяють хімічні речовини зі своїх коренів, щоб залучити гриби, які допомагають їм отримати фосфат. На жаль для сорго, відьма еволюціонувала, щоб реагувати на той самий сигнал.

«Ця рослина-паразит перехопила сигналізацію, щоб її насіння проростало, коли сприймало той самий сигнал від кореня», — сказав Брейді.

Після проростання відьма реагує на додаткові хімічні сигнали сорго, які спонукають паразита вирощувати відростки, які називаються «гаусторіями». Вони дозволяють зачепитися та проникнути в коріння сорго.

«Якщо встановлено зв’язок із судинною системою сорго, це ніби магістраль поживних речовин до рослини-паразита», — сказав Брейді.

Брейді та Кава хотіли знати, чи можуть ґрунтові мікроби перервати шкідливі процеси. Попередні дослідження показали, що вид ґрунтових грибів, Fusarium, пригнічує проростання відьом і, отже, інфекцію сорго, але мало відомо про те, ґрунтові бактерії або ж гриби пригнічують інфекції відьом, змінюючи корінь сорго.

У якості першого тесту дослідники порівняли сприйнятливість розсади сорго, яка була пророщена в «природному» ґрунті, з розсадою, вирощеною в стерилізованому ґрунті. Вони виявили, що рослини, вирощені в природному ґрунті, мали менше відьмаків, ніж рослини, вирощені в стерильному ґрунті, що свідчить про те, що бактерії відіграють важливу роль у здатності рослин протистояти інфекції.

Команда хотіла дослідити механізми опору. Використовуючи поєднання генетики, мікроскопії та експериментів in vitro, вони показали, що мікроби руйнують хімічні сигнали, які допомагають відьмі прикріпитися до господаря, а також змінюють анатомію кореня сорго, щоб паразиту було важче зачепитися. Вони помітили, що коли рослини сорго вирощують у природному ґрунті, насиченому мікробами, бактерії індукують гени, які призводять до товщого шару суберину, воскоподібної речовини, яка може діяти як бар’єр для “відьом”, і більшої кількості заповнених повітрям прогалин або «аренхім», що також може перешкоджати прикріпленню відьом до сорго.

Використовуючи генетичне секвенування, Брейді та її співробітники ідентифікували понад 100 таксонів бактерій, які були пов’язані зі стійкістю до паразитарної рослини. Коли вони протестували функції восьми з цих бактеріальних штамів in vitro, ідентифікували штам бактерії Pseudomonas, який руйнує хімічні ознаки в ґрунті, і штам Arthrobacter, який посилив суберізацію коренів сорго.

«Дуже приємно, що ми змогли ідентифікувати окремих мікробів, оскільки зазвичай у ґрунті є цілий набір мікробів, і цілком можливо, що вони діють разом», — сказав Брейді.

«Кінцева мета полягає в тому, щоб визначити мікробні розчини, якими фермери можуть обробляти ґрунт або насіння, щоб запобігти зараженню Striga», — сказав Брейді, – «Намір полягає в тому, щоб це було частиною інтегрованого пакету рішень для фермерів — ще один інструмент у наборі інструментів».

Наразі дослідники шукають мікроби, відповідальні за надання інших ознак стійкості. Вони також характеризують ґрунтові мікроби з інших регіонів, починаючи з Ефіопії, і досліджують, чи можуть ці самі мікроби надавати стійкість до відьми іншим видам культур, на які також впливає паразит.

«Нам потрібно переконатися, що ми використовуємо мікроби, які походять з країни, в якій ці мікроби будуть застосовані, щоб підтримувати біорізноманіття», — сказав Брейді. «Ми також хочемо віддати пріоритет мікробам, здатним добре працювати в інших видах сільськогосподарських культур, таких як пшоно та рис».

Додатковими авторами дослідження є: Тамера Тейлор, Ханна Вальдік, Заян Муса, Олександр Чен і Джирегна Дакса, Каліфорнійський університет у Девісі; Desalegn Etalo, Утрехтський університет; Бенджамін Тіомбіано, Еймі Уолмслі, Харро Боумістер і Маріо Шільдер, Сваммердамський інститут життя; Махдере Шімелс, Домініка Рибка, Марсіо Лейте, Франсіско Діні-Андреоте, Ейко Курамае та Йос Рааймакерс, Нідерландський інститут екології; Олександр Букш, Університет Джорджії; та Тай Тессема, Ефіопський інститут сільськогосподарських досліджень. Зараз Кава є доцентом Утрехтського університету.