Куда делись мои друзья?: Как менялись партнеры кукурузы по микробам с течением времени
Многие продукты, которые мы едим сегодня, выглядят совсем иначе, чем в прошлом. Кукурузы, или маиса, не существовало 10 000 лет назад: она произошла от сорной травы с крошечными семенами в твердой оболочке, которые мы не узнаем в кукурузных зернах. Этот дикий предок кукурузы, называемый теосинте, рос в смеси со многими другими растениями, а не на кукурузных полях, как сегодня. Большие изменения между теосинте и кукурузой, которые мы можем наблюдать над землей, заставляют нас думать, что изменения произошли и под землей. Растения вступают в партнерские отношения с микробами, такими как бактерии и грибы, чтобы получать питательные вещества, необходимые им для роста. Ученые обнаружили, что микробы, обитающие возле корней теосинте, отличаются от микробов, живущих вокруг корней кукурузы. Понимание того, как изменились микробы-партнеры кукурузы, может помочь нам вывести сорта кукурузы, которые будут лучше для окружающей среды.
Растения и их партнеры-микробы
Что общего между корнями кукурузы и вашим профилем в Facebook?
Нет, это не было началом шутки. У этих двух видов больше общего, чем вы думаете. Мы часто думаем о растении кукурузы как об отдельном организме. Но растения - это часть сети взаимоотношений, что-то вроде Facebook. Эти отношения между растениями легко упустить из виду, потому что их трудно изучать. Тем не менее, они очень важны, поскольку влияют на здоровье растений.
Почва полна миллионов микроскопических бактерий и грибков. Эти микроскопические организмы называются микробами. Некоторые из этих микробов образуют тесные партнерские отношения с растениями. Растения могут полагаться на микробов, чтобы те помогли им получить питательные вещества, которых в почве не хватает. Микробы разлагают мертвые растения и животных, и в результате этого процесса медленно высвобождаются азот, фосфор и другие элементы, необходимые растениям для роста. Когда растения не могут самостоятельно получить достаточное количество этих питательных веществ, они могут выделять сахара из своих корней. Энергия, которую микробы получают из этих сахаров, помогает им расщеплять еще больше мертвых растений и животных. Однако если в почве достаточно питательных веществ, растения предпочитают оставлять сахара себе. Они обращаются за помощью к микробам только тогда, когда им это необходимо.
Вот как можно сравнить отношения между кукурузой и ее микробами с профилем в Facebook. Вы знаете многих людей по школе и занятиям, но в Facebook вы дружите только с некоторыми из них. Точно так же в почве живут миллионы микробов, но кукуруза взаимодействует только с некоторыми из них. В зоне возле корней растений, называемой ризосферой, обитает меньше видов микробов, чем в остальной почве. Растения привлекают определенные микробы в ризосферу, посылая сигналы и сахара от своих корней.
Ваша группа друзей в Facebook может меняться по мере того, как меняетесь вы. Это может произойти, когда вы стареете или переезжаете и встречаете новых людей. Микробы кукурузы тоже меняются. В ризосфере, когда кукуруза - это семя, живут разные микробы, а когда она - полноценный кукурузный стебель. У кукурузы в Мексике в ризосфере живут другие микробы, чем у кукурузы в Калифорнии.
Мы знаем, что микробы меняются в течение жизненного цикла одного растения. Но как насчет долгосрочной перспективы? Как изменилась социальная сеть кукурузы за последние 10 000 лет?
Теосинте, дикий предок кукурузы
Люди произошли от обезьян. Птицы произошли от динозавров. Кукуруза произошла от... теосинте?
Кукуруза в початках не существовала 10 000 лет назад. Современная кукуруза происходит от сорной травы, называемой теосинте, которая росла в Мексике. Крошечные семена теосинте совсем не похожи на кукурузные зерна. Эти семена имели твердую оболочку, которая не позволяла им быть съеденными животными. На самом деле мы не смогли бы определить родство теосинте с кукурузой, просто взглянув на него! Ученым пришлось изучить ДНК теосинте и кукурузы, чтобы понять, что эти два растения родственны. Они сравнили ДНК кукурузы с ДНК многих ее диких родственников, собранных в разных регионах Мексики. Теосинте из долины Бальсас оказался самым подходящим, что говорит о том, что он является прямым предком кукурузы [ 1 ].
Теосинте жил в сложных условиях. Питательные вещества были в дефиците. Другие растения конкурировали за солнечный свет и воду. Теосинте внешне сильно отличался от кукурузы, потому что ему нужно было выживать в этой сложной среде (рис. 1). Большие корни помогали теосинте получать питательные вещества и воду, а многочисленные стебли - конкурировать с другими растениями за свет.
Люди постепенно создали кукурузу из теосинте. Тысячи лет назад люди начали выращивать пищу вместо охоты и собирательства. Во время сбора урожая они отбирали семена лучших растений, чтобы посадить их на следующий год. Крупные зерна без твердой оболочки было легче есть, поэтому каждый год фермеры сохраняли самые крупные и мягкие семена. За тысячи лет в результате такого процесса селекции из теосинте получилась кукуруза. Кукуруза начала распространяться по всей Мексике и остальному миру. Ранние сорта, называемые ландрасами, отличались друг от друга так же, как и от теосинте. Каждый сорт кукурузы обладал качествами, которые помогали ему расти в конкретной местности.
За последние 80 лет кукуруза изменилась еще больше. Современное сельское хозяйство сильно отличается от раннего. Сегодня кукурузу сажают очень близко друг к другу, а фермеры вносят в почву азотные и фосфорные удобрения. Современные сорта кукурузы должны хорошо расти в таких условиях.
Упс, мы уменьшили корни: Косвенный отбор на корни
Мы часто обращаем внимание на характеристики надземной части растений, или признаки, такие как высота или форма листьев, потому что их легче заметить. Но характеристики растений, которые находятся под землей, тоже важны. Растения зависят от корней, которые находят питательные вещества и воду в почве и забирают их. Корни также транспортируют эти ресурсы к стеблю, чтобы они могли попасть в листья. Кроме того, корни посылают сигналы, чтобы взаимодействовать с социальной сетью микробов.
Когда первые фермеры выбирали, какие семена сохранить, они не думали о корнях. Им нужны были растения, дающие много крупных, мягких, вкусных семян. Растения с такими семенами не обязательно имели самые большие и сильные корни. На самом деле у них могли быть крошечные корни, потому что они использовали энергию, которая могла бы пойти на рост корней, для производства крупных семян. Но корни и семена - это часть одного и того же растения. Сохраняя семена этих растений, люди могли выбрать определенные черты корней, не планируя этого. Мы называем это косвенным отбором.
Современные корни кукурузы сильно отличаются от корней теосинте из-за косвенного отбора [ 2 ] (рис. 1). Теосинте нужны были корни, которые хорошо получали бы питательные вещества и воду. Он производил гораздо больше корней, чем кукуруза. Корни, выходящие из главного стебля теосинте, были узкими и короткими, с множеством ответвлений. Эти корни распространялись близко к поверхности почвы. Все эти особенности помогали теосинте находить и поглощать дефицитные питательные вещества. Но кукурузное поле сильно отличается от дикой среды обитания теосинте. На ферме люди обеспечивают удобрения и воду (если не хватает дождей), а также не дают сорнякам вылезти наружу. Современной кукурузе не нужно прилагать много усилий, чтобы найти питательные вещества. Она производит меньше корней, которые не так сильно разветвляются. Корни современной кукурузы толще и могут быстро переносить большое количество питательных веществ. Они проникают глубже в почву, а не распространяются по поверхности. Поскольку ряды кукурузы высаживаются очень близко друг к другу, глубокие корни помогают растениям находить питательные вещества, не конкурируя с соседями [ 3 ].
Мы видим, что кукуруза изменилась как в надземной, так и в подземной части. Но как насчет той части, которую мы не можем видеть: ее почвенных микробов?
Стала ли кукуруза ленивой?
Очевидно, что кукуруза сильно отличается от теосинте, а кукурузное поле - от речной долины, заполненной множеством различных диких растений. Несмотря на то что кукуруза родственна теосинте, эти изменения заставляют нас думать, что в процессе эволюции кукуруза могла получить новые микробы или потерять некоторые из старых.
Мы знаем, что у сортов кукурузы много тех же микробов, что и у их родственников. Одно растение кукурузы может передать некоторые из своих микробов следующему поколению через семена [ 4 ]. Следующее поколение также может привлекать таких же микробов, потому что растения посылают в почву те же сигналы, что и их родители. Это заставляет нас думать, что у кукурузы и теосинте могут быть одни и те же микробы, хотя теосинте больше похоже на пра-пра-пра-прадедушку кукурузы, чем на ее родителя.
Но мы также знаем, что разные виды кукурузы могут привлекать разные микробы. Мы до сих пор не понимаем, почему так происходит, но думаем, что это связано с их корнями и сигналами, которые посылают корни. Как и человеческие дети, растения кукурузы не являются точными копиями своих родителей. Их корни могут быть другими, или они могут посылать разные сигналы. Это означает, что на растении кукурузы могут жить другие микробы, чем на его родителях, особенно если его корни отличаются по другим параметрам. Один сорт кукурузы может привлекать больше микробов, чем другой, даже если оба сорта растут в одной и той же почве. Некоторые сорта могут иметь более активные микробы, которые обеспечивают растение большим количеством питательных веществ.
Различия между корнями кукурузы и теосинте заставляют нас думать, что в корнях кукурузы может быть меньше активных микробов. Микробы предпочитают жить возле корней, а не в почве. Как живые, так и мертвые корни обеспечивают питание и защиту от суровой почвенной среды. Поскольку у современной кукурузы меньше корней, она может не поддерживать такое количество микробов. Кроме того, эти микробы могут быть менее активными, чем микробы в ризосфере теосинте. Поскольку современная кукуруза получает все необходимые ей питательные вещества из удобрений, а не от микробов, она может выделять меньше сахаров для питания микробов. Это означает, что микробы вблизи современной кукурузы могут быть менее активными. Чтобы проверить, так ли это, ученые начали сравнивать микробы вокруг корней теосинте и кукурузы.
Выигрываешь, проигрываешь: Меняющиеся микробы-компаньоны кукурузы
Есть ли у современной кукурузы другие микробы, чем у теосинте? И даже если это одни и те же микробы, делают ли они разные вещи?
Недавно ученые обнаружили некоторые различия в микробах вокруг корней кукурузы и теосинте. Современная сладкая кукуруза содержит меньше микробов, чем теосинте, и меньше различных видов бактерий и грибов [ 5 ]. Это подтверждает идею о том, что современная кукуруза могла со временем потерять некоторые микробы и приобрести новые. Однако некоторые из одних и тех же микробов можно обнаружить вокруг корней как теосинте, так и кукурузы. Это говорит о том, что основная группа микробов остается неизменной с течением времени.
Однако нам еще предстоит ответить на множество вопросов. Когда, за тысячи лет, прошедших между теосинте и кукурузой, произошли эти изменения? Посылает ли современная кукуруза сигналы, отличные от тех, что посылала теосинте? Означают ли разные микробы, что современная кукуруза может получать из почвы больше питательных веществ или меньше?
Микробы и суперкукуруза будущего
Изучение корней кукурузы и ее микробов может помочь нам сделать земледелие более эффективным. Прежде всего необходимо определить желаемые свойства корней и микробов. Мы можем обнаружить, что корни теосинте лучше получают питательные вещества. Или же современная кукуруза может содержать микробы, которые обеспечивают больше азота. Обнаружив эти хорошие черты, мы можем проследить их до генов растений, которые их контролируют. Селекционеры могут объединить эти гены, чтобы создать кукурузу, которая лучше получает питательные вещества из почвы и от микробов. Таким растениям потребуется меньше химических удобрений. На производство удобрений тратится много энергии, а загрязнение от удобрений иногда вредит качеству воды, животным, живущим в воде, и людям, которые ее пьют. У нас еще много вопросов, но исследование того, как изменились корни и микробы кукурузы, поможет вывести сорта кукурузы, которые будут использовать меньше удобрений и будут лучше для окружающей среды.
