Микробиомика в продовольственной безопасности: изменение парадигмы (аннотация)Микробиомика в продовольственной безопасности: изменение парадигмы
Изменение климата является серьезной проблемой для сельскохозяйственного сектора в достижении целей продовольственной безопасности и искоренения голода.
Все большую озабоченность среди ученых-аграриев вызывает защита культурных растений от негативных последствий изменения климата, таких как абиотические стрессы и атаки патогенов растений. В результате возникает острая потребность в экологически чистых технологиях, позволяющих защитить сельскохозяйственные культуры от стрессовых факторов и повысить продуктивность их выращивания, что в конечном итоге позволит удовлетворить качественные и количественные потребности потребителей продовольствия.
Использование исключительно химических пестицидов представляет долгосрочную опасность для тех, кто их использует, потребителей и опылителей, косвенно влияя на всю экосистему. Чрезмерное использование химических пестицидов может привести к развитию резистентности у патогенов растений, включая грибков и насекомых, что делает их еще более разрушительными во время вспышек заболеваний. Для решения этой сложной ситуации перспективной и экологически безопасной инновацией является использование почвенных микробов в виде биоудобрений и биопестицидов. Кроме того, модулирование микробного сообщества ризосферы - это хорошо задокументированный подход к улучшению роста растений, повышению урожайности и иммунитета для борьбы с различными стрессовыми условиями.
За последнее десятилетие подходы, основанные на использовании микробов для выращивания сельскохозяйственных культур, привлекли значительное внимание в сельскохозяйственной практике. Микробные продукты являются более безопасными вариантами по сравнению с агрохимикатами (удобрениями и пестицидами) для повышения урожайности и питательной ценности культур. Почвенные микробы играют важнейшую роль в здоровье почвы, на которое часто негативно влияет применение химических пестицидов.
В последние годы почвенные микробиологи проводят обширные исследования, направленные на выявление полезных для растений микробов и понимание их взаимодействия с почвой и растениями-хозяевами в неблагоприятных условиях. Задача данного обзора - подчеркнуть роль почвенных микроорганизмов в обеспечении продовольственной безопасности. В обзоре представлен анализ последних достижений в области взаимодействия растений и почвенных микроорганизмов и препаратов на их основе, таких, например, как микоризные грибы и ризобактерии, стимулирующие рост растений, с целью создания основы для будущих исследований в этой области. В данном обзоре представлены шесть научных статей и три обзорные статьи, охватывающие вышеупомянутые темы.
Анализ генома растительно-ассоциированных бактерий - одна из наиболее обсуждаемых тем: три из девяти статей посвящены этой области. Эта область имеет решающее значение для понимания молекулярных механизмов взаимодействия бактерий с растениями-хозяевами. В одной из работ представлен анализ полного генома Fusarium udum, патогена, вызывающего увядание голубиного гороха. В результате сборки de novo было выявлено 16 179 белок-кодирующих генов, из которых 1060 генов (6,55 %) были идентифицированы как гены патогенов, участвующие в вирулентности.
Кроме того, были обнаружены различные эффекторные белки, связанные с деградацией клеточной стенки, деградацией пектина и гибелью клеток хозяина. Сравнительный анализ выявил пять общих эффекторных генов для всех видов Fusarium и один эффекторный ген, SIX (Secreted in Xylem), который был подтвержден у F. udum в ходе экспериментов (Srivastava et al.). Полногеномный анализ также является перспективным подходом для понимания природы стрессоустойчивых бактерий, стимулирующих рост растений (PGP), и их взаимодействия с растениями-хозяевами для смягчения стресса растений.
Например, Pseudomonas aeruginosa DJ06 продемонстрировала активность PGP и успешно колонизировал ткани сахарного тростника. Секвенирование полного генома штамма DJ06 выявило ряд генов, связанных со свойствами PGP и устойчивостью к абиотическим стрессам. В экспериментах с растениями инокуляция штаммом DJ06 способствовала росту растений и биомассы, а также регулировала фитогормоны в сахарном тростнике (Guo et al.).
Изучение геномов экстремофилов помогает понять механизмы их выживания в экстремальных условиях и их потенциал в качестве источников промышленно важных ферментов. В связи с этим был проведен систематический анализ генома Virgibacillus halodenitrificans ASH15, галофильного бактериального изолята. Штамм ASH15 демонстрировал выживаемость и активные свойства PGP при концентрации соли до 25 %. Анализ генома показал, что значительная часть генов связана с синтезом совместимых растворителей (глицина, бетаина, эктоина, гидроксиэктоина и глутамата), которые являются известными механизмами солеустойчивости бактерий. Интересно, что в штамме ASH15 обнаружены различные гены, ассоциированные с антибиотиками, CRISPR и лекарственными соединениями (включая сквален) (Sharma et al.). Расшифровка всего генома микроорганизмов важна для понимания их взаимодействия с окружающей средой и служит источником новых соединений.
Стрессы растений, как биотические, так и абиотические, представляют собой серьезную проблему для рационального сельскохозяйственного производства. В холобионте растений обитают разнообразные микробные сообщества, помогающие им выживать в стрессовых условиях. В настоящее время усилия направлены на модулирование этого микробного разнообразия для повышения жизнестойкости сельскохозяйственных культур.
В данном обзоре три статьи посвящены ослаблению стресса растений с помощью микроорганизмов. Malviya et al. выступают за использование микоризных грибов (AMF) для борьбы с заражением растений риса корневой нематодой. В исследовании описывается многогранный эффект Funneliformis mosseae, Rhizophagus fasciculatus и Rhizophagus intraradices в индуцировании защитных реакций растений против Meloidogyne graminicola, возбудителя болезни корневых узлов у Oryza sativa. Инокуляция штаммов AMF также способствует поглощению питательных веществ растениями риса, что делает AMF биоконтролем и агентом, стимулирующим рост растений при выращивании риса в нормальных и биотических стрессовых условиях.
Напротив, в центре внимания другого исследования находятся антимикробные соединения, выделяемые биоконтрольными микробами, которые могут быть использованы непосредственно в препаратах для полевого применения, в условиях, когда микроорганизмы не могут выжить в неблагоприятных условиях. В этом контексте в одном из исследований сообщалось о способности Bacillus subtilis BS-58 быть антагонистом для двух разрушительных фитопатогенов - Fusarium oxysporum и Rhizoctonia solani. Микроскопический анализ показал, что BS-58 выделяет антимикробные метаболиты, приводящие к перфорации, лизису клеточной стенки и цитоплазматическому распаду гиф грибов.
Дальнейший анализ с помощью ЖХ-МС и ИК-Фурье позволил охарактеризовать противогрибковый метаболит как "макролактин А" с молекулярной массой 402 Da. Генный анализ также подтвердил наличие этого метаболита в бактериальном штамме BS-58. В экспериментах по выращиванию растений инокуляция BS-58 была эффективна для снижения заболеваемости F. oxysporum и R. solani у Amaranthus hypochondriacus (Pandey et al.). Почвенные микробы также могут быть использованы в качестве биоудобрений благодаря их активности по солюбилизации питательных веществ, увеличивая содержание питательных веществ в почве для поглощения растениями. В данном исследовании сообщается о биоукреплении микроэлементов путем применения различных Bacillus spp. в посевах пшеницы.
Из ризосферы было выделено 42 изолята, которые проявляли активность по солюбилизации цинка на различных цинковых субстратах, включая карбонат цинка, оксид цинка и фосфат цинка. Секвенирование гена 16S рРНК идентифицировало штаммы бактерий как Bacillus altitudinis, B. subtilis, B. megaterium, B. licheniformis, Brevibacillus borstelensis и B. xiamenensis. В ходе экспериментов в лаборатории и полевых условиях было установлено, что эти штаммы бактерий повышают содержание цинка в соломе и зерне пшеницы. Такие исследования подчеркивают важность почвенных микроорганизмов для повышения урожайности и питательной ценности культур (Yadav et al.).
Также представлены три обзорные статьи, посвященные смягчению абиотического и биотического стресса у растений с помощью почвенных микробов. Shakeel et al. обсуждают "болезнь Баканае" у растений риса, вызываемую Fusarium fujikuroi. Комплекс видов F. fujikuroi выделяет токсины, такие как фузарины, фузариновая кислота, монилиформин и боверицин, что приводит к потере урожая риса и представляет опасность для здоровья животных и людей. В статье обсуждаются различные стратегии борьбы с болезнью Баканае, включая биоконтроль микробов, выращивание устойчивых растений, химические фунгициды и физические методы. Авторы подчеркивают важность стратегий биоконтроля для полного искоренения этого заболевания на рисовых полях (Shakeel et al.).
В другой обзорной статье подчеркивается важность эндофитных грибков как источников антимикробных метаболитов. Эндофитные грибки являются богатыми источниками фенолов, поликетидов, сапонинов и алкалоидов, способствующих выделению метаболитов растениями. Поэтому изучение эндофитов растений является новой областью исследований для крупномасштабного и экологичного производства биологически активных метаболитов (Jha et al.).
В другом исследовании особое внимание уделяется смягчению абиотического стресса с помощью фитомикробиома. Деятельность по изменению климата существенно влияет на абиотические компоненты атмосферы, такие как засоленность почвы, температура атмосферы, засуха и наводнения. Микробы, связанные с растениями, играют жизненно важную роль в поддержании гомеостаза растений в условиях абиотического стресса. Эти микробы могут повышать толерантность растений-хозяев с помощью различных подземных и надземных механизмов, которые в конечном итоге модулируют иммунные реакции растений (Singh et al.). Более глубокое понимание с помощью омических подходов необходимо для изучения механизмов толерантности растений и разработки климатически устойчивых культур.
В целом, результаты исследований и обзоров, упомянутых выше, предоставляют значительный объем новых и актуальных данных о почвенных и ассоциированных с растениями микробах и их роли в улучшении роста растений, устойчивости к стрессу и продуктивности урожая. Несмотря на имеющуюся литературу по этой теме, статьи, представленные в данном обзоре, свидетельствуют о том, что многие области еще требуют изучения для более эффективного использования микробной деятельности в эффективных сельскохозяйственных практиках.
