Бактерии, приносящие пользу растениям, считаются важнейшим фактором, способствующим развитию сельскохозяйственных культур и других экосистем, однако изменение климата может привести к сокращению их численности, говорится в новом исследовании международной группы ученых.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Food. Группа исследователей, в которую входил Франциско Дини-Андреоте, профессор кафедры растениеводства Пенсильванского государственного университета, охарактеризовала численность и распределение полезных для растений бактерий (ПРБ) в почвах, собранных по всему миру. Затем исследователи смоделировали, как на эти микробные сообщества может повлиять изменение климата в следующем столетии, зависящее от использования ископаемого топлива.
Используя существующие данные проекта Earth Microbiome Project, исследователи выявили микробы, которые могут оказывать такую пользу растениям, как биоконтроль или ограничение воздействия патогенов, стимулирование роста растений и устойчивость к стрессам. Такие функции позволяют рассматривать эти бактерии как ключевые компоненты агроэкосистем, которые в первую очередь обеспечивают производство продовольствия. "Растения колонизируются разнообразными микроорганизмами на корнях, листьях и стеблях, а также в них самих", - пояснил Дини-Андреоте.
Эти микробиомы, связанные с растениями, представляют собой расширение метаболического потенциала растений, что часто называют "вторым геномом растений".
Это понятие перекликается с концепцией хологенома, согласно которой для получения выводов о здоровье и эволюции организма рассматривается общий набор генов, содержащихся в организме и связанном с ним микробиоме. По мнению исследователей, характеристика биогеографии ПРБ создает основу для понимания переменных, определяющих структуру глобального микробного сообщества, и прогнозирования его будущего в условиях быстро меняющегося мира.
Проведенный анализ выявил несколько тенденций в изменении разнообразия ПРБ, в том числе более высокий уровень их многообразия и насыщенности в более низких широтах с наибольшей концентрацией в Северной Америке и Африке. Всего было выявлено 396 родов, таксономический ранг которых выше видового. Исследователи обнаружили, что местные экологические переменные - в частности, климат - являются сильными предикторами состава сообществ ПРБ и, вероятно, оказывают сильное влияние на распределение ПРБ. Это позволяет предположить, что климат влияет на то, какие бактерии и в какой пропорции встречаются.
Чтобы выяснить, как может измениться численность и распределение ПРБ в течение следующего столетия, исследователи смоделировали несколько климатических сценариев, основанных на прогнозах Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Согласно сценарию развития с использованием ископаемого топлива, предполагающему трехкратное увеличение выбросов парниковых газов к 2075 г., модель предсказала, что численность ПРБ, связанных с биоконтролем и стрессоустойчивостью, сократится на 0,60% в 80% регионов мира, в то время как по сценарию экологической безопасности - на 0,07%. Согласно всем сценариям, в регионах средних широт будет наблюдаться устойчивое снижение, в то время как в полярных и экваториальных регионах ожидается увеличение ПРБ.
Дини-Андреоте отметил, что подобные прогностические исследования имеют большое значение, но предупредил, что модели ограничены и должны быть подтверждены экспериментально. Например, в контролируемых условиях растительно-почвенные системы могут подвергаться воздействию тепла или засухи, после чего исследователи могут оценить сдвиги по влиянию и адаптации сообществ ПРБ по сравнению с контрольными. Другими словами, чтобы узнать, как повлияют на ПРБ климатические стрессы и какой уровень снижения ПРБ окажет критическое воздействие на здоровье растений, необходимы эксперименты.
По словам исследователей, они надеются не только обогатить исследования в области экологии сообществ, но и стимулировать инновации в сельском хозяйстве и их применение для повышения продовольственной безопасности. Однако вряд ли эти инновации будут включать в себя почвенные пробиотики для восстановления сниженного уровня ПРБ. Дини-Андреоте считает, что такие биоинокулянты часто имеют ряд недостатков, например, требуют постоянного внесения. Кроме того, культивированию поддается лишь небольшая часть почвенных микробов - от 5% до 10%, что ограничивает возможность разработки пробиотиков полного спектра действия.
Дини-Андреоте предлагает альтернативу. "Продвигаясь в понимании того, как эти различные ПРБ выживают в ассоциации с растениями, например, в ризосфере, мы можем разработать стратегии инженерии сельскохозяйственных культур для производства соединений, которые питают эти полезные микробы", - отметил он. По мнению исследователей, при таком подходе растения смогут привлекать полезные бактерии, не нуждаясь при этом в пробиотиках извне. По словам Дини-Андреоте, потенциальное влияние подобных методов не изучено, но они указывают на важность изучения быстро развивающейся области микробиомов. "Мы надеемся, что эта статья послужит катализатором для более эмпирических исследований ПРБ", - сказал он.
Это масштабное исследование свидетельствует о том, что Дини-Андреоте и его коллеги проводят важные и оригинальные исследования взаимодействия растений и микробов в рамках концепции "Единое здоровье", охватывающей почву, растения и здоровье человека. Их концепция изучения хологенома растений и интеграции с глобальными экологическими и географическими данными не только способствует развитию знаний, но и заставляет задуматься о проблемах экологического развития, подкрепленных фактическими данными.
