Растения контролируют микробиом корней с помощью распределения сахаров

Структура корня трехнедельного растения кукурузы, выращенного в почве. Архитектура корневой системы в горшке была зафиксирована с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ, показана серым цветом). Для отслеживания потока продуктов фотосинтеза в корневую систему применялся радиоактивно меченый углекислый газ (¹¹CO₂) и визуализировался с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ, показан цветом). Распределение этих продуктов формирует установление микробиома в ризосфере. Автор: Ральф Мецнер/Исследовательский центр Юлиха

Благодаря фотосинтезу растения используют солнечный свет для преобразования воды и углекислого газа в богатые энергией углеродные соединения, такие как глюкоза. Эти соединения не только поддерживают собственный рост и развитие растения, но и направляются к корням. Значительная часть этого углерода выделяется в почву в форме органических веществ, обеспечивая важный источник питания для микроорганизмов.

Исследователи из Боннского университета вместе с Исследовательским центром Юлиха и другими партнерами изучили, как происходит этот процесс. Их результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.

Микробы в ризосфере

Микроорганизмы в почве обычно ограничены в росте, поскольку источники богатого энергией углерода являются дефицитными. Однако вокруг корня — в так называемой ризосфере — условия другие: растения выделяют здесь органические соединения, которые питают микробную жизнь.

Многие из этих микроорганизмов, в свою очередь, поддерживают работу растения, например, поставляя питательные вещества, защищая от патогенов или помогая справляться со стрессом от засухи.

Ключевой вопрос, который исследовали ученые: в какой степени растения управляют составом микробных сообществ у своих корней? Результаты показывают, что они оказывают по крайней мере некоторое влияние. У кукурузы данные указывают на то, что разные группы микробов процветают в различных зонах корня. Растения не выделяют свой углерод равномерно — вместо этого разные части корня благоприятствуют разным микробным сообществам, что приводит к изменениям в микробиоме вдоль корневой системы.

Взгляд внутрь корня

Растения кукурузы выращивались в Исследовательском центре Юлиха. Для захвата основных процессов ученые Института наук о растениях объединили два метода визуализации, более часто ассоциируемые с медициной: магнитно-резонансную томографию (МРТ) и позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ).

МРТ выявила архитектуру корней кукурузы в почве и позволила провести точные измерения.

ПЭТ с использованием короткоживущего радиоактивного индикатора ¹¹CO₂ (с периодом полураспада около 20 минут) отслеживала, как свежезафиксированный углерод перемещался через корневую систему в форме сахаров.

Объединив оба метода, исследователи из Юлиха впервые смогли неразрушающим образом и с высоким разрешением продемонстрировать, что сахар накапливается очень по-разному в различных областях корня. Это позволило им целенаправленно выбрать определенные типы корней и участки для дальнейшего анализа их микробных сообществ.

Кроме того, применялась стабильная метка ¹³CO₂, чтобы определить, какие микроорганизмы фактически потребляли корневые выделения — и как они реагировали на неравномерное распределение углерода в ризосфере. Сами микробные анализы проводились командами университетов Бонна и Кёльна.

Последствия для науки и сельского хозяйства

В долгосрочной перспективе понимание этих процессов может помочь лучше использовать полезные микроорганизмы в защите сельскохозяйственных культур и стимулировании роста — например, для укрепления растений против засухи или болезней.

Это очень актуально для сельского хозяйства, где так называемые биологические препараты и биостимуляторы до сих пор давали неоднозначные результаты. Подробное знание о потоках сахаров и микробных сообществах может помочь таким подходам стать более последовательными и эффективными.

Дополнительная информация: Sina R. Schultes et al, Photosynthate distribution determines spatial patterns in the rhizosphere microbiota of the maize root system, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62550-y

Источник: Исследовательский центр Юлиха