Почвенные бактерии помогут спасти урожаи от засоления

Ученые обнаружили, что полезные почвенные бактерии могут естественным образом укреплять растения против засоленных почв, открывая путь к более устойчивому к изменению климата сельскому хозяйству. Credit: Shutterstock

Исследователи обнаружили неожиданного природного союзника, который может помочь фермерам справиться с одной из самых быстрорастущих проблем сельского хозяйства: засолением почв.

Группа ученых, включая специалистов из Университета Восточной Англии (UEA) под руководством китайского исследователя доктора Яньфэнь Чжэн, выяснила, что встречающиеся в природе почвенные бактерии могут значительно повысить способность растений выживать в соленых условиях.

Исследование также раскрыло ранее неизвестный способ, с помощью которого эти микробы защищают такие культуры, как кукуруза, томаты и рапс, от солевого стресса. Это открытие может в будущем помочь фермерам выращивать продукты питания на землях, ставших слишком солеными для традиционного земледелия.

Засоление почв угрожает глобальному сельскому хозяйству

Накопление соли в сельскохозяйственных угодьях становится все более серьезной проблемой из-за изменения климата, методов орошения и повышения уровня моря. По мере накопления соли в почве замедляется рост растений, повреждаются корни и резко снижается урожайность.

Профессор Джонатан Тодд из Школы биологических наук UEA и Института Квадрам в Нориджском исследовательском парке, сказал: «Накопление соли в сельскохозяйственных угодьях является серьезной и усугубляющейся проблемой, вызванной изменением климата, орошением и повышением уровня моря.

«Соль подавляет рост растений, повреждает корни и серьезно сказывается на всем урожае, подвергая риску глобальные запасы продовольствия.

«Мы знаем, что растения полагаются на сообщества микробов вокруг своих корней, называемые корневым микробиомом, чтобы справляться с экологическим стрессом. Но то, как именно работают эти отношения и одинаковы ли они для разных культур и почв, оставалось в значительной степени неясным.

«Мы обнаружили, что в условиях засоленной почвы растения, по-видимому, привлекают полезные бактерии, которые, в свою очередь, запускают внутренние изменения, укрепляющие их физическую структуру и устойчивость.

«Если ученые смогут использовать этот естественный процесс, это может ознаменовать начало новой эры в сельском хозяйстве, устойчивом к изменению климата».

Корневые микробы притягиваются к растениям, испытывающим солевой стресс

Чтобы лучше понять эти взаимовыгодные отношения растений и микробов, исследователи изучили корневые микробиомы нескольких видов сельскохозяйственных культур, выращенных на разных типах почв.

Они обнаружили, что группа встречающихся в природе бактерий, известных как псевдомонады, постоянно собиралась вокруг корней растений, подвергшихся солевому стрессу. Та же закономерность наблюдалась у нескольких культур, включая кукурузу, томаты и рапс, что позволяет предположить, что это широко распространенная биологическая реакция, а не нечто уникальное для одного растения.

Генетический анализ также объяснил, почему эти бактерии так хорошо работают в соленой среде.

Профессор Тодд сказал: «По сравнению с другими микробами, псевдомонады несут специализированные гены, которые помогают им переносить высокий уровень соли, включая системы транспорта натрия и другие механизмы устойчивости к стрессу».

Более сильные корни и более высокая урожайность

Затем команда ввела отобранные штаммы псевдомонад растениям сои. Как в тепличных исследованиях, так и в полевых испытаниях бактерии успешно колонизировали корни и значительно улучшили рост растений в соленых условиях.

«Мы обнаружили, что растения, обработанные микробами, показали более сильную корневую систему, лучшее развитие и более высокую урожайность по сравнению с необработанными растениями, выращенными на засоленных почвах», — сказал профессор Тодд.

Неожиданная защита растений

Исследователи были удивлены, обнаружив, что бактерии помогали растениям не путем снижения уровня соли в их тканях.

«Самым удивительным было узнать, как бактерии помогали растениям справляться.

«На протяжении десятилетий считалось, что растения выживают при засолении, контролируя уровень натрия — по сути, не допуская попадания вредной соли внутрь. Но мы не нашли доказательств того, что бактерии влияют на транспорт натрия или ионный баланс.

«Вместо того чтобы помогать растениям напрямую справляться с солью, бактерии стимулировали растение производить больше вещества, называемого лигнином.

«Корни растений, обработанных бактериями, показали значительное увеличение содержания лигнина, причем некоторые показатели выросли более чем на 30 процентов в условиях солевого стресса».

Лигнин естественным образом укрепляет растения

Лигнин — это прочный, древесный материал, который является частью клеточных стенок растений. Он действует как встроенная система поддержки, укрепляя растительные ткани и помогая им выдерживать экологический стресс.

Исследователи определили ключевые гены, ответственные за увеличение выработки лигнина. Когда эти гены были искусственно гиперэкспрессированы, растения показали гораздо лучшие результаты на засоленной почве.

Напротив, растения, неспособные производить лигнин, не получали пользы от бактерий, что показывает, что выработка лигнина необходима для вновь открытого защитного эффекта.

Профессор Тодд сказал: «Мы надеемся, что это открытие открывает новые возможности для сельского хозяйства.

«Используя встречающиеся в природе микробы, такие как псевдомонады, можно разработать биологические методы лечения, которые помогут сельскохозяйственным культурам расти на засоленных почвах без использования большого количества химикатов.

«Учитывая, что огромные площади сельскохозяйственных угодий уже пострадали от засоления, а еще больше находятся под угрозой, микробные решения могут стать важным инструментом для поддержания урожайности и обеспечения продовольственной безопасности».

Результаты были опубликованы в журнале Science Advances в статье «Pseudomonads associated to salt-stressed plants facilitate stress adaption of soybean through enhanced lignin biosynthesis».

Источники: sciencedaily.com

Материалы предоставлены Университетом Восточной Англии.