Обильные урожаи кукурузы и других основных сельскохозяйственных культур зависят от загадочного явления, известного как гибридное усиление.
Когда скрещиваются высокоинбредные сорта, их потомство получается более высокорослым, выносливым и приносит больше зерна. Исследователи сообщают, что на жизнеспособность гибридов каким-то образом влияют почвенные микроорганизмы, возможно, через иммунную систему растения. "Это действительно интересное открытие", - говорит Джайлс Олдройд, генетик растений из Кембриджского университета, который не принимал участия в исследовании. "Я удивлен, что это не изучалось до сих пор".
Чарльз Дарвин был одним из первых исследователей, описавших гибридный эффект. В начале 20 века биологи начали применять этот эффект в сельском хозяйстве, создавая инбредные родительские линии, которые давали гибридные семена. К 1940-м годам почти каждый фермер в Соединенных Штатах сажал гибридную кукурузу, и урожаи многократно увеличились. Генетики предложили несколько теорий о причинах гибридного усиления, но окончательного объяснения так и не появилось.
Мэгги Вагнер, генетик растений из Канзасского университета в Лоуренсе, и ее коллеги задались вопросом, не могут ли в этом быть замешаны микробы. Крошечные организмы могут оказывать большое влияние на растения. Например, листья и корни часто колонизированы сообществами полезных бактерий и грибов, которые помогают защитить растение от микробов, вызывающих болезни. Некоторые культуры, такие как соя и другие бобовые, содержат микробы, которые питают их азотом - важнейшим питательным веществом для растений, которое фермеры должны доставлять с удобрениями.
В прошлом году Вагнер и ее коллеги обнаружили интересную разгадку в ходе полевого исследования. Они выяснили, что листья и корни гибридной кукурузы имеют микробные сообщества, которые отличаются от тех, что живут на инбредных сортах кукурузы. Когда наступила зима и поля опустели, Вагнер попыталась повторить этот результат в лабораторном эксперименте. Исследователи посадили семена в пакеты с почвенной субстанцией, которая была стерилизована, чтобы убить все микробы. Затем они добавили простое сообщество почвенных бактерий - семь штаммов, которые, как известно, колонизируют корни кукурузы, - в некоторые пакеты, оставив другие стерильными. Как и ожидалось, когда микробы присутствовали, гибриды росли лучше, чем инбредный сорт, а их корни весили на 20% больше. Однако, к их удивлению, гибридные и инбредные растения кукурузы росли примерно одинаково в стерильной почве, о чем они сообщили в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Вес их корней и побегов почти не отличался. Когда ученые повторили эксперимент, добавив весь набор микробов, взятых из почвы, в некоторые из стерилизованных пакетов, результат не изменился. "Результаты выглядят убедительно", - говорит Олдройд. Какой вывод?
"Что-то в том, что растение является гибридом, заставляет его по-другому взаимодействовать с микробами",
- говорит Вагнер. Основываясь на некоторых результатах, специалисты считают, что микроорганизмы замедляют рост инбредных растений, а не придают гибридам особый импульс.
Возможно, иммунная система инбредных растений слишком остро реагирует на безвредные микробы, что негативно сказывается на их росте. (В эксперименте не было патогенов.) Или же гибридные растения могут лучше защищаться от слабых патогенов почвы. "У нас запланирована большая работа по развитию этой идеи", - говорит Вагнер.
Олдройд говорит, что полученные результаты подчеркивают необходимость того, чтобы селекционеры подбирали генетику сельскохозяйственных культур в соответствии с микробными сообществами, с которыми они живут. Полученные результаты подчеркивают важность понимания роли почвенных микробов в повышении продуктивности и экологичности сельского хозяйства, добавляет Корне Питерс, биолог растений из Утрехтского университета. "Это открывает большие перспективы".
