Подземные герои: Растения и микробы совместно формируют наш мир
Знаете ли вы, что микробы и растения могут помогать друг другу выживать? Микробы - например, бактерии и грибы - могут помочь растениям найти пищу и воду и даже оздоровить их в период стресса. В свою очередь, растения дают микробам пищу и место для жизни. Мир, каким мы его знаем, не существовал бы без растений, микробов и их партнерства. К сожалению, изменения климата приведут и к изменению окружающей среды. Поэтому изучение взаимодействия растений и микробов поможет нам предсказать экологические изменения нашей планеты и ее обитателей. В этой статье мы расскажем о том, как микробы и растения взаимодействуют друг с другом для поддержания жизни на Земле.
Микробиом растений
Каждое растение на Земле имеет триллионы микробов, которые живут в тесном контакте с ним. Все эти микроорганизмы вместе называются микробиомом растений (рис. 1). Что же делают эти микробы? Помогают они растениям или вредят им? Большинство известных нам микробов помогают своим хозяевам, увеличивая количество питательных веществ, таких как сахара, белки и вода, которые доступны растениям. Микробы также могут укреплять способность растений бороться с инфекциями. Без микробиома здоровье растений страдает.
Хотя исследования растений и микробов прошли долгий путь с момента их начала в конце 1800-х годов, нам еще многое предстоит узнать. В настоящее время исследователи работают над тем, как использовать микробы для выращивания больших урожаев, увеличения количества продуктов питания для растущего населения и сохранения здоровых лесов для будущих поколений [ 1 ]. Изучение того, как микробы взаимодействуют друг с другом и с растениями, делает нас еще на один шаг ближе к достижению этих целей.
Где именно взаимодействуют растения и микробы? Одна из основных областей исследований сосредоточена на подземном пространстве вокруг корня растения, называемом ризосферой. Ризосфера - это дом для многих видов микробов, и она является горячей точкой для взаимодействия растений и микробов. Мы до сих пор не до конца понимаем, как микробы общаются друг с другом или делятся пищей, поэтому нам предстоит ответить на эти важные вопросы. Если мы поймем правила, по которым играют микробиомы растений, то сможем лучше предсказывать, как изменение климата может повлиять на растения и их микробов.
Исследования уже помогли нам создать растения, способные противостоять засухе и повышению температуры, а также расти большими и быстрыми темпами. Но мы до сих пор не знаем, как микробы будут взаимодействовать с растениями при изменении климата Земли. Потеряют ли некоторые микробы свою способность помогать растениям расти? Будут ли растения поражены патогенами, заболеют и отстанут в росте? Сможем ли мы обеспечить продовольствием растущее население Земли?
Бактерии и грибы: Ключевые игроки в микробиомах растений
Бактерии и грибы составляют более 90 % микробиома растений. Поэтому многие исследования посвящены тому, как эти микробы взаимодействуют с растениями.
Как бактерии могут помочь растениям? Бактерии живут вместе с растениями сотни миллионов лет, и уже много веков известно, что бактерии помогают растениям расти. Одна из наиболее хорошо изученных групп бактерий - ризобии, которые превращают азот, содержащийся в атмосфере, в аммиак. Растения могут использовать аммиак для производства аминокислот - строительных блоков белков (Рисунок 2A). Мы называем это превращение азотфиксацией. Азотфиксирующие бактерии помогают растениям получать ресурсы, необходимые для поддержания здоровья. Однако фиксация азота - не единственный способ, которым бактерии помогают своим хозяевам. Бактерии также балансируют гормоны растений, которые имеют решающее значение для их роста и развития. Многие исследовательские группы по всему миру изучают, как бактерии и растения помогают друг другу.
Как грибы могут помочь растениям? Как и бактерии, грибы живут рядом с растениями уже сотни миллионов лет. Эволюция создала определенные типы грибов, известные как микоризные грибы (myco = гриб и rhiza = корень), которые сотрудничают с более чем 90 % всех видов растений на Земле. Когда микоризные грибы заселяют корни растений, они обмениваются ресурсами, необходимыми каждому из них для роста, такими как углеводы, аминокислоты и вода. Исследования показали, что микоризные грибы поглощают органические вещества из почвы и отдают растениям питательные вещества, такие как фосфор, азот и вода (рис. 2B). Когда и как микоризные грибы определяют своего растительного хозяина - важные вопросы, на которые еще предстоит получить исчерпывающие ответы.
Бактерии и грибы работают вместе, чтобы помочь растениям. Было показано, что бактерии, называемые микоризными бактериями-помощниками, поддерживают отношения между растениями и микоризными грибами [ 2 ]. Чем больше питательных веществ микоризные грибы могут предоставить своему растению-хозяину, тем выше шансы, что растение выживет и размножится. До сих пор неясно, как взаимодействуют бактерии и микоризные грибы, но есть основания полагать, что микоризные грибы обеспечивают питательными веществами и укрытием некоторые бактерии.
Микробы поддерживают здоровье лесов и сельскохозяйственных угодий
На Земле произрастает около трех триллионов деревьев и более 600 миллионов ферм. Это означает, что микроскопическое взаимодействие между растениями, грибами и бактериями влияет на судьбу наших лесов и продуктов питания. Исследования показали, что микробы можно распылять на семена растений или почву, чтобы повысить урожайность [1] и удалить токсичные соединения из лесных почв [ 3 ]. Мы до сих пор не знаем, насколько эти микробы помогут растениям в стрессовые периоды, такие как жара и засуха. Поэтому многие исследования посвящены тому, как изменение климата повлияет на растения и их микробиом.
А как насчет микробов, которые могут не помочь растениям, например, патогенов? Исследователи предсказывают, что глобальное потепление приведет к увеличению числа патогенов растений [ 4 ] и уменьшению числа микоризных грибов. Мы знаем, что климат во многом контролирует взаимодействие растений и микробов [ 5 ]. Изменения климата Земли могут привести к тому, что некоторые деревья и культуры станут менее распространенными или даже вымрут. Станет сложнее производить такие промышленные товары, как древесина и бумага, и такие продукты питания, как рис и овощи. Возможно, что изменения в производстве продуктов питания не позволят нам прокормить растущее население Земли в ближайшие 30 лет. Необходимо найти устойчивые решения!
Хотя эти прогнозы могут показаться пугающими, исследования продолжают фокусироваться на том, как сохранить наши леса и фермы, используя наши знания о микробах. Как именно? Исследователи по всему миру используют секвенирование ДНК и спутниковые снимки, чтобы выяснить, какие микробы сочетаются с теми или иными видами растений в лесах и на фермах (рис. 3). С помощью этой информации мы сможем определить нужные микробы и распылить их на семена растений или подмешать в почву, чтобы помочь растениям во время жары, засухи и наводнений.
Что вы узнали и как вы можете это применить?
Итак, исследователи сосредоточились на изучении способов использования микробов для улучшения роста и развития растений. Микоризные грибы и бактерии помогают растениям получать достаточное количество питательных веществ, что может привести к росту и укреплению растений. Однако глобальное потепление может изменить взаимодействие растений и микробов на всей планете. Важно понять, как изменение климата повлияет на сельскохозяйственные угодья и леса.
Как вы можете помочь? Читайте, изучайте, задавайте вопросы и повторяйте. В Интернете и местных библиотеках можно найти множество ресурсов, связанных с взаимодействием растений и микробов, - от статей до рассказов, фотографий и видео. Вы быстро обнаружите, что существует масса бесплатной информации (например, атлас биоразнообразия почвы). Чем больше вы узнаете об интересующей вас теме, тем лучше вы сможете задавать интересные вопросы и разрабатывать интересные эксперименты для ответа на них.
Если вам понравилась эта статья и вы хотите узнать больше о растениях и микробах, вы также можете связаться с исследователем, который может рассказать вам больше о взаимодействии растений и микробов. Для начала вместе с учителем естествознания, родителями, опекунами и/или друзьями напишите письмо авторам этой статьи или другим исследователям, изучающим взаимодействие растений и микробов. Исследователи часто рады поделиться своими результатами и помочь молодым людям, которые интересуются наукой, поэтому не стесняйтесь задавать вопросы!
