Ученые из США научились исследовать сложные популяции бактерий и грибов, присутствующих в почве, и точно определять количество микроорганизмов, несущих определенные гены, например гены антибиотиков, сообщает портал Phys.org.
Многие люди пережили загадочную смерть комнатного растения. Несмотря на обилие воды и солнечного света, кажется, что под поверхностью почвы происходит что-то невидимое, что подрывает здоровье растения. Подобно тому, как сообщества микробов живут в кишечнике и влияют на здоровье человека, так называемый почвенный микробиом бактерий и грибов непосредственно влияет на здоровье растений, начиная с корней. В нашем меняющемся климате глубокое понимание здорового микробиома почвы приведет к созданию более устойчивых сельскохозяйственных культур и, следовательно, более устойчивых источников пищи. Группа исследователей из Калифорнийского технологического института разработала новую вычислительную технику для анализа ДНК, присутствующей в образце почвы, с целью изучения присутствующих видов микробов. Этот метод позволил по-новому взглянуть на виды бактерий, которые защищают растения от патогенных грибов. «Хотя за последнее десятилетие были достигнуты большие успехи в понимании микробиома человека, наше сравнительное понимание микробиома почвы отстает», – говорит один из авторов исследования. «Тем не менее, почва является критически важным резервуаром микробов, учитывая ее прямую связь с продовольственной безопасностью, удержанием питательных веществ и воды, а также глобальным углеродным балансом».
В новом исследовании представлен вычислительный алгоритм анализа ДНК из образцов почвы и корней для количественной оценки численности бактерий с определенными функциональными характеристиками. Микробиом почвы часто называют «темной материей микробов», потому что многие из этих видов нелегко культивировать в лаборатории. Таким образом, взятие образца почвы и попытка вырастить из него бактерии – ненадежный способ определить, какие виды микроорганизмов присутствуют. Новый вычислительный метод в сочетании с методами секвенирования ДНК в окружающей среде позволяет микробиологам исследовать сложные популяции бактерий и грибов, присутствующих в образце, и точно определять количество членов, несущих определенные гены, например гены антибиотиков.
В частности, команда была заинтересована в использовании этого метода для измерения численности определенных видов бактерий, которые производят антибиотические и противогрибковые молекулы, называемые феназинами. Эти бактерии занимают ризосферу, среду обитания, богатую питательными веществами, в почве, окружающей корни растения, а феназины действуют как линия защиты от патогенных микробов, чтобы предотвратить их вторжение в это пространство.
Чтобы проверить точность своего вычислительного алгоритма, ученые объединились с сотрудниками Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США. В штате Вашингтон на экспериментальных участках пшеницы, расположенных рядом с коммерческими пшеничными полями, исследователи обнаружили, что производящие феназин виды, называемые флуоресцентными псевдомонадами, часто присутствуют в почве, на которой растут здоровые растения. Исследователи секвенировали ДНК окружающей среды на этих участках пшеницы и обнаружили, что новый алгоритм правильно определил количество флуоресцентных псевдомонад, подтвердив эффективность этого нового вычислительного метода в полевых условиях. Но удивительно, что алгоритм также выявил обилие различных продуцирующих феназин бактерий из группы под названием Streptomyces. Это предполагает, что защитные эффекты феназинов в полевых условиях могут быть опосредованы несколькими видами; теперь эти виды микроорганизмов могут стать предметом целевых лабораторных экспериментов.
Затем команда обратилась к общедоступным наборам данных последовательностей ДНК, которые были получены из сотен различных почв и растительных сред по всему миру. Эти среды включали естественные и сельскохозяйственные почвы, а также корневые микробиомы основных сельскохозяйственных культур, таких как пшеница, кукуруза и сахарный тростник. Команда проверила эти наборы данных с помощью своего алгоритма и обнаружила, что бактерии, продуцирующие феназин, широко распространены во многих средах и, в частности, обогащены микробиомами, связанными с культурами. Алгоритм также обнаружил еще один сюрприз: среди сельскохозяйственных культур, особенно кукурузы, широко распространены некоторые ранее не охарактеризованные виды, продуцирующие феназин, под названием Dyella japonica.
Команда исследовала Дайеллу в лаборатории с помощью геномных, генетических и других экспериментальных методов, чтобы определить тип производимого феназина, условия, в которых производится соединение, и задействованные гены. Используя передовую микроскопию, исследователи обнаружили тесную связь между Dyella japonica и кукурузой. Микроорганизм располагается в корнях растений, а не на поверхности, как это чаще встречается среди организмов, продуцирующих феназин, а также на кончиках корневых волосков, где содержится много питательных веществ для микроорганизмов.
«Понимание видов, составляющих здоровый почвенный микробиом, однажды может помочь естественным образом «спроектировать» среду посевов для повышения урожайности в качестве своего рода почвенного пробиотика», – резюмируют ученые. «Эти результаты подтверждают теорию о том, что феназины являются важными молекулами для здоровья сельскохозяйственных культур».
