Снижение зависимости от азотных удобрений

«Более устойчивый способ применения азота для сельскохозяйственных культур – использование биологической азотфиксации, хорошо разработанной для бобовых культур», – говорит патолог Гари Стейси из Университета Миссури. «Различные разновидности азотфиксирующих бактерий распространены в ризосфере большинства растений. Однако такие бактерии, способствующие росту растений (PGPB), имеют ограниченное применение в качестве инокулянтов в сельском хозяйстве».

Стейси и его команда считают, что это ограниченное использование связано с общими проблемами, связанными с использованием биопрепаратов для растениеводства, и переменной эффективностью при применении. Они провели исследование, чтобы лучше понять метаболический ответ растения-хозяина, чтобы уменьшить изменчивость, наблюдаемую в ответе культур на PGPB.

«Одна из проблем нашего исследования заключается в том, что, хотя PGPB может колонизировать корни до высоких уровней, места колонизации могут быть сильно локализованы», – сказал Стейси. «Следовательно, выделение целых корней приводит к значительному разбавлению любого сигнала из-за того, что подавляющее большинство корневых клеток не контактирует с бактериями».

Чтобы решить эту проблему, Стейси и его команда использовали масс-спектрометрию с лазерной абляционной электрораспылительной ионизацией (LAESI-MS), которая позволила им отбирать только те участки, зараженные бактериями, которые они могли локализовать из-за экспрессии зеленого флуоресцентного белка.

Их результаты показали, что бактериальная колонизация приводит к значительным сдвигам в метаболизме растений, при этом некоторые метаболиты, более значительно более обильные в инокулированных растениях, а другие, включая метаболиты, указывающие на азот, были уменьшены в корнях, не инокулированных или инокулированных бактериальным штаммом, неспособным связывать азот.

«Интересно, что соединения, участвующие в биосинтезе индол-алкалоидов были более распространены в корнях, колонизированных фиксированным штаммом, возможно, отражая защитную реакцию растений», – говорит Стейси. «В конечном счете, с помощью таких исследований мы надеемся определить молекулярные механизмы, с помощью которых PGPB стимулирует рост растений, чтобы разработать эффективные и последовательные протоколы инокуляции для улучшения урожайности».

Лаборатория Стейси давно интересуется биологической фиксацией азота и взаимодействием растений и микробов в целом. С момента открытия биологической азотфиксации (BNF), лаборатория ставила перед собой цель донести преимущества BNF до не бобовых культур, таких как кукуруза. PGPB обладают такой способностью в природе, но она не была адекватно отражена для практического сельскохозяйственного производства.

«Мы считаем, что, в отличие от других лучше изученных взаимодействий, таких как ризобий-бобовый, это связано с общим отсутствием информации о молекулярных механизмах, с помощью которых PGPB стимулирует рост растений. Следовательно, мы предприняли в наших лабораторных проектах, которые стремятся предоставлять эту информацию, полагая, что такая информация повысит эффективность инокулянтов PGPG приведет к увеличению их использования для производства сельскохозяйственных культур».

Стейси и его команда были очень удивлены, обнаружив, что они не увидели значительного влияния на выработку фитогормонов, что тесно связано со способностью PGPB усиливать рост растений. Это говорит о том, что PGPB влияет на метаболизм растений в большей степени, чем предполагалось ранее.