Результаты исследования подчеркивают важность севооборота для предотвращения накопления болезней, передаваемых через почву, и раскрывают сложную экологию растений, особенно в отношении множества полезных и вредных микроорганизмов, которые с ними взаимодействуют. (Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, август 2015 г.).Ян Болдуин — руководитель отдела молекулярной экологии Института химической экологии Макса Планка. В течение почти 20 лет он и его команда изучали сложные стратегии защиты, применяемые табаком койотом Nicotiana attuata против его врагов в естественной среде обитания растений.
В заповеднике Литл в штате Юта, США, его команда использовала тот же полевой участок для экспериментов в течение последних 15 лет. Восемь лет назад они заметили первые спорадические случаи заболевания растений, которое привело к внезапному увяданию удлиненных растений табака. Поскольку число таких случаев с годами увеличивалось, инфекцией заражалось все больше и больше растений на более ранних стадиях развития.
В 2012 году в конце полевого сезона более половины опытных растений погибло от внезапного увядания. Интересно, что другие местные растения в этой области не проявляли никаких симптомов; казалось, что болезнь поражает только табачные растения. Ученые, похоже, непреднамеренно создали типичную сельскохозяйственную дилемму, высаживая одни и те же виды диких растений на одном и том же поле на протяжении многих лет: патогенные микроорганизмы растений накапливались и распространялись в результате непрерывного монокультурного выращивания.
Поскольку исследователи использовали только растения табака для своих полевых испытаний, севооборот не подходил. Поэтому они разработали различные подходы к борьбе с патогенами растений и проверили эффективность этих подходов в контролируемых условиях.
Во-первых, они выделили бактерии и грибы из корней больных растений Nicotiana attuata и идентифицировали 70 различных видов бактерий и 36 видов грибов, включая несколько видов патогенных растений Fusarium и Alternaria. Затем ученые извлекли бактериальные изоляты из корней здоровых растений табака и выбрали те виды, которые исследователи определили как способствующие росту и здоровью растений в предыдущих исследованиях.
Наконец, исследователи Макса Планка применили обычные химические фунгициды и попытались улучшить качество почвы, добавив древесный уголь; в дикой природе молодые растения табака прорастают только после лесных пожаров, которые обычно возникают при ударах молнии. Помимо полезных бактерий, для целей биоконтроля были также выбраны грибы.
Ни обработка фунгицидами, ни древесный уголь не оказались успешными вариантами обработки, а комбинация фунгицидов и древесного угля, а также обработка грибков биоконтроля даже увеличили смертность тестируемых растений. Смертность снизилась только у растений, обработанных смесью полезных почвенных бактерий. Затем ученые изучили влияние бактериального сообщества и сравнили растения, обработанные двумя, тремя или пятью различными штаммами бактерий. Хотя обработка всего двумя бактериальными штаммами практически не дала эффекта, значительно меньше растений погибло после обработки смесью из трех или пяти бактериальных штаммов.
В целом, как in vitro, так и полевые эксперименты показали, что отдельные бактериальные штаммы могут реализовать свой полный защитный потенциал только тогда, когда у них будет возможность сотрудничать с другими бактериальными штаммами; эти синергетические эффекты способствовали улучшению здоровья растений и снижению смертности.«Сказать, что растениям нужна« здоровая почва », имеет более глубокий смысл, чем мы знали до сих пор. Это просто означает, что сбалансированное микробное сообщество почвы жизненно важно для роста растений и сохранения их здоровья.
До сих пор только отдельные штаммы бактерий были применяются в сельском хозяйстве. Однако бактерии не живут поодиночке, они образуют сообщества, которые дополняют друг друга. Только когда они взаимодействуют друг с другом, они могут оказывать положительное влияние на здоровье растений », — говорит Арне Вайнхольд, возглавляющий проектную группу« Взаимодействие с микробами. с Nicotiana attuata ".«Наши результаты еще раз показывают, что мы можем многому научиться, если очень внимательно посмотрим, как сама природа решает такие проблемы.
Болезнь увядания возникла только потому, что мы нарушили естественное поведение растений, практикуя методы ведения сельского хозяйства», — сказал Ян Болдуин, — изучает Nicotiana attuata в течение десятилетий, — объясняет. Дикий табак нуждается в определенных условиях, чтобы прорасти из семенных банков в пустыне: в основном они зависят от почвы, сгоревшей в результате пожаров, вызванных ударами молнии. По этой причине популяции дикого табака ежегодно растут в разных регионах. Предыдущие исследования показали, что даже очень молодые проростки табака используют свои эндогенные сигналы этилена для пополнения определенных почвенных бактерий; Другими словами, они активно формируют свой микробиом, связанный с корнями.
Теперь необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, как функционирует защитный механизм, опосредованный бактериальными сообществами, дополняют ли отдельные виды бактерий друг друга и как они обеспечивают синергетический эффект. «Монокультуры в сельском хозяйстве могут в конечном итоге привести к увеличению неурожая. Мы должны научиться понимать, как функционируют взаимодействия между растениями и невероятно разнообразным микробным сообществом почвы, чтобы выяснить, как нарушается равновесие в этой сложной экосистеме», — говорит Ракеш Сантанам, Аспирант из Индии в Международной школе исследований Макса Планка и один из трех первых авторов исследования.
Как и его соавтор Ван Тхи Луу из Вьетнама, он работает над проектом, которым руководит Ян Болдуин. Ван Тхи Луу, научный сотрудник Международной школы исследований микробных и биомолекулярных взаимодействий имени Лейбница, добавляет: «Местные растения могут привлекать свое микробное сообщество почвы, чтобы помочь им решать проблемы, зависящие от контекста.
Если нам удастся идентифицировать микробное сообщество растений, мы можем обогатить полезные микробы, чтобы растения имели возможность привлекать их для своего микробиома на ранней стадии развития. Это может стать огромным вкладом в защиту растений ». [AO]