Микрореволюция: фермеры с помощью микробов спасут мир от голода

Секрет эндофитов

В 2015 году, в один из гавайских погожих дней, Джефф Зан и Энтони Аменд отправились в восьмичасовой поход. Они поднялись на поросшую зеленью гору на острове Оаху, отмахиваясь от комаров и проходя мимо валяющихся в грязи кабанов. Они направились к месту, где несколько месяцев назад высадили исчезающий вид растений — Phyllostegia kaalaensis. То, что они обнаружили, стало неприятной находкой для обоих.

«Все растения погибли», — с горечью вспоминает Зан, который уже успел с того времени стать доктором наук Гавайского университета в Маноа. Два эколога обнаружили только красные флаги, размещенные на месте каждой посадки, да несколько мертвых стеблей. По словам Джеффа, это место было похоже на кладбище.

Все растения из рода мяты, семейства Яснотковых, но без ментолового аромата, скорее всего, умерли от мучнистой росы, вызванной грибами вида Neoerysiphe galeopsidis. Сегодня эти белые цветущие растения, исконно растущие на Оаху, могут выжить только в двух теплицах на острове, получающих поддержку и финансирование от правительства. Почему этот вид мяты почти вымер, неясно. Хотя все же можно это объяснить потерей привычной среды обитания и атакующей мучнистой росой. Эта болезнь, вызываемая грибками, поражает растения в теплицах, и исследователи предполагают, что именно она убила все растения, которые они пытались повторно высадить в дикой природе.

Джефф Зан никогда раньше не сталкивался так близко с исчезновением целого вида или даже с угрозой исчезновения. Он вернулся домой, преисполненный желанием помочь маленькой мяте вернуться домой, в свою родную землю.

У растений, как и у людей и других животных, есть свои микробиомы, бактерии, грибы и другие микроорганизмы, обитающие на растениях и в растениях. Некоторые, вроде плесени, атакуют. А другие, напротив, полезны. На одном листочке живут миллионы различных микробов. Микроорганизмы внутри тканей, не причиняющие своим «хозяевам» вреда, называются эндофитами. Многие из этих микробов попадают к растению из почвы и воздуха. Некоторые передаются из поколения в поколение через семена.

За садовым магазином

Некоторые плодотворные симбиозы микробов и растений хорошо известны, в продаже уже появилось множество таких товаров. Садоводы, например, могут добавлять некоторые виды микробов в ведра с водой для полива, чтобы стимулировать цветение и повышать иммунитет растений.

«Мы очень мало знаем о том, как на самом деле работают эти связи микробов и растений, — говорит Джефф Дангл, генетик из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле. — Ни один из этих продуктов из садоводческих магазинов не оказался полезным при обработке больших территорий».

Однако в больших фермерских хозяйствах все же часто прибегают к помощи микробов. В основном используют микроорганизмы, которые помогают корням лучше поглощать азот, говорит Дангл. Растения используют азот для производства хлорофилла для фотосинтеза.

Но в скором времени у фермеров появится больше помощников-микробов. Ученые, изучающие растительные микробиомы, описали многочисленные новые связи растений и микробов, возникшие в последние десятилетия. Эти исследователи говорят, что они стали свидетелями лишь малой толики новых возможностей таких союзов. Многие стартапы сейчас занимаются тем, что изучают и выпускают новые продукты, в которых так или иначе задействуют микроорганизмы.

«Последние пять лет в этой сфере происходит огромный скачок», — говорит Дангл. Джефф Дангл и сам создал компанию AgBiome, которая вскоре выпустит бактериальные препараты, которые, по словам производителя, будут успешно бороться с грибковыми заболеваниями.

Сельскохозяйственные гиганты, такие как Bayer AG, которые недавно поглотили и компанию Monsanto, также инвестируют сотни миллионов долларов в возможность лечения растений с помощью микроорганизмов.

Ученые надеются, что микробы будут гарантом наступления колоссального прорыва в сельском хозяйстве — настоящей революции, которая крайне необходима в наше время. Ожидается, что население увеличится от 7,6 млрд человек до почти 10 млрд человек к 2050 году, а значит, что потребность в растительных кормах, волокнах и кормах для животных возрастет вдвое.

«Нам нужно повышать урожайность, — отмечает Поси Басби, эколог из Университета штата Орегон в Корваллисе. — Если мы сможем управлять микробиомами, то это станет нашим главным инструментом для увеличения урожайности растений в сельскохозяйственных условиях». Между тем ученые изучают микробиомы, чтобы спасти находящиеся под угрозой исчезновения растения.

Но до создания базы для развития фермерского хозяйства и сохранения видов на основе работы микроорганизмов нужно ответить на многие вопросы. Некоторые из них заключаются в сложности взаимодействий между растениями, их разнообразными микробными обитателями и средами, в которых они живут. Трудность в том, что микробы, помогающие некоторым растениям, при определенных условиях могут нанести вред другим, уже в других местах, предупреждает микробиолог Луис Мехиа из Института научных исследований и высокотехнологичных услуг в Панама-Сити.

Спасите шоколадки!

Посевы какао и, следовательно, драгоценные запасы всех M&M’s человечества находятся под постоянной угрозой из-за вредоносных грибов, таких как Phytophthora palmivora. Они вызывают черную гниль на оболочке какао-плода. Но в микробиоме какао живут и хорошие парни, особенно грибок Colletotrichum tropicale, который, кажется, наоборот, защищает деревья.

Натали Кристиан, будучи аспирантом Университета Индианы в Блумингтоне, отправилась в Смитсоновский институт тропических исследований на Панамский остров Барро-Колорадо в 2014 году, чтобы изучить, как отдельные виды микробов устраивают свои колонии и влияют на растения какао (Theobroma cacao). Кристиан предположила, что основным источником микробиома молодого какао-дерева будут опавшие гниющие листья тропического леса или сада.

Чтобы проверить эту догадку и посмотреть, какие микробы, взятые из листовой подстилки, предположительно, полезны для какао, Кристиан выращивала «стерильное», не зараженное грибами дерево какао в лабораторном инкубаторе. Когда растения достигли полуметра, она поместила их в горшки на улице, подсыпав к некоторым из них листовой перегной здорового дерева какао, другим сделав подстилку из других деревьев, а некоторые оставив без подстилки. Через две недели она вернула растения в теплицу, чтобы проанализировать их микробиомы. Женщина обнаружила около 300 видов эндофитов, которые она, Мехиа и их коллеги описали в прошлом году в «Трудах Королевского общества Б».

Структура микробиомов различалась в зависимости от подстилки, в которой находилось растение. Растения в горшках с какой-либо подстилкой имели менее разнообразные микробиомы, нежели те, у которых подстилки не было. Вероятно, так происходило из-за того, что микробы из подстилки быстро занимали все пространство до того, как другие виды могли размножиться в той же среде. Эти результаты показывают, что саженцы в тени более зрелых деревьев, вероятно, будут частично повторять их геномы.

Чтобы убедиться, что некоторые из этих переносимых с других растений микробов защищают какао от болезнетворных организмов, Кристиан потерла немного черной стручковой гнили на листья растений в каждой группе. Через три недели она измерила размер гнилостных пятен.

Какао на подстилке листьев своих сородичей имели наименьшие повреждения. Группа с перегноем других деревьев была повреждена чуть больше, а растения без подкормки имели примерно вдвое больше повреждений, чем группа со смешанным перегноем.

«Получение контакта с подстилкой материнского дерева или своего рода оказало очень сильное положительное влияние на сопротивление этих молодых растений», — говорит биолог Кит Клей из Университета Тулан в Новом Орлеане, соавтор исследования.

Ученые затрудняются ответить, как именно «хорошие» грибы защищают растения от гнили. По словам Натали Кристиан, вполне возможно, что полезные грибы просто занимают место внутри или на листьях, не оставляя места для нежелательных гостей. Или микроб-защитник, такой как C. tropicale, может нападать на патоген с помощью чего-то вроде химического оружия. В случае с какао она считает, что наиболее вероятным объяснением является то, что друзья-грибы действуют как своего рода вакцина, управляя иммунной системой растения, чтобы отбить гниль. В поддержку этой идеи ее коллега Мехиа сообщил в 2014 году в Frontiers in Microbiology, что C. tropicale помогает какао включить защитные гены.

Фермерам, выращивающим какао, стоит прислушаться к мнению ученых и пересмотреть свои взгляды на уход за деревьями. Фермеры обычно убирают опавшие листья в садах, чтобы избежать передачи болезнетворных микробов из разлагающихся листьев на живые деревья, говорит Кристиан, ныне доктор Университета Иллинойс в Урбана-Шампейн. Но ее работа предполагает, что фермерам выгоднее делать для молодых саженцев подстилку из опавших листьев здоровых деревьев.

Как повысить урожайность

Перегной — это низкотехнологичный способ распространения целых колоний микробов — как хороших, так и плохих. Но сельскохозяйственные компании хотят выделить только полезные микробы и применять их в земледелии. Охота на хороших микробов начинается с прогулки по полям сельскохозяйственных культур, говорит Барри Голдман, вице-президент и глава отдела научных открытий в Indigo Ag в Бостоне. Скорее всего, вы выделите более крупные и более выносливые растения среди всех. Внутри этих лучших из своего вида растений Indigo он обнаружил эндофиты, которые увеличивают силу и размер растений, и другие, которые защищают от засухи.

Компании, работающие с хлопком, кукурузой, рисом, соевыми бобами и пшеницей, покрывают семена растений этими микробами. Как только семена прорастают, микробы покрывают листья ростков и могут проникать внутрь через трещинки в корнях или через устьица, крошечные поры в листьях. Этот процесс сродни тому, что происходит, когда ребенок путешествует по родовому каналу, собирая полезные микробы.

Микробная обработка семян хлопка Indigo Ag приводит к более крупным, более плодовитым растениям в условиях недостаточного полива по сравнению с необработанными растениями.

Например, первое поколение пшеницы Indigo в 2016 году выросло из семян, обработанных полезными микроорганизмами. На пробных полях Канзаса такая обработка повысила урожайность на 8–19%.

Фермеры также сообщают о повышении стойкости растений к засухе. В течение первых шести месяцев 2018 года, во время которых было всего лишь два дождя, участвующие в эксперименте фермеры из Канзаса обработали и вспахали поля с обычной пшеницей, сохранившей способность к борьбе растущей на той земле ранее пшеницы Indigo, говорит Голдман.

В Сент-Луисе NewLeaf Symbiotics занимается бактериями рода Methylobacterium. Эти микробы, обнаруженные на всех растениях, известны как метилотрофы, потому что они поглощают метанол, который растения выделяют по мере роста их клеток. В обмен на метанол М-трофы, как называет их NewLeaf, предоставляют растениям выгодное сотрудничество. Некоторые из них производят молекулы, которые стимулируют рост растений. Другие помогают семенам быстрее и успешнее прорастать или защищают от вредоносных грибов.

В этом году NewLeaf выпустила свои первые продукты, в том числе Terrasym 401 — обработку семян для соевых бобов. За четыре года полевых испытаний Terrasym 401 повысил урожайность полей более чем на два бушеля на акр, говорит соучредитель NewLeaf и главный исполнительный директор Том Лаурита. Один бушель стоит около $9. На фермах с площадью в тысячи акров эта обработка приводит к получению существенной прибыли.

Фермеры довольны, но работу NewLeaf и Indigo вряд ли можно считать завершенной. Компании-производители микробиомов сталкиваются с различными проблемами. Во-первых, разнообразные условия выращивания сельскохозяйственных культур. То, что пшеница Indigo успешно показала себя в Канзасе, не значит, что те же самые сорта можно легко и просто перенести, скажем, в Северную Дакоту.

«Большой вопрос к компаниям биотехнологий следующего поколения, таким как AgBiome или Indigo, заключается в том, будут ли их продукты работать так, как они рекламируются в различных полевых условиях», — говорит Дангл.

Другая проблема заключается в том, что на полях и растениях уже есть свои микробиомы. «Мы собираемся отправить колонию микробов или несколько видов микробов, чтобы они вторглись в уже существующую экосистему и выполняли свою работу», — с опаской отмечает Дангл. Компании должны будут убедиться, что их микробы одержат победу.

И хотя ученые прекрасно знают, что различные микробные сообщества сотрудничают между собой, чтобы влиять на здоровье растений, большинство компаний работает с только с одним видом микробов. В Indigo еще не знают, как начать работу с целыми микробиомами, говорит Голдман, но они «много думают об этом».

Исследователи начинают решать эти вопросы, изучая микробы в колониях — например, микроорганизмы в листьях Кристиан, вместо отдельных видов. В лаборатории Дангл разработал синтетическое сообщество из 188 корневых микробов. Он применяет их к растениям, страдающим от засухи или жары, а затем наблюдает за тем, как колонии реагируют и влияют на растения.

Основная цель — выявить факторы, определяющие участие в микробиоме. Что влияет на то, кто получает место в колонии на растении? Как виды растений и среда влияют на микробиомы? Как растения настроены по отношению к микроорганизмам извне, способны ли они с ними подружиться? «Это очень большая работа», — уверен Дангл.

Есть некоторый риск добавления микробов к культурам, и пока такие вопросы остаются без ответа, об этом предостерегает Мехиа. Микробы, которые полезны в одной ситуации, могут быть вредными в других растениях или в разных средах. Это не надуманный сценарий: есть грибковый эндофит южноамериканской пальмы, которая предотвращает заражение жуками, когда деревья находятся в тени. Однако под солнцем грибок становится вредоносным, извергая перекись водорода, которая убивает растительные ткани.

И хотя C. tropicale помогает какао, этот вид имеет и темную сторону: многие виды Colletotrichum могут вызывать поражения листьев и гнилостные пятна на плодах или цветках на различных растениях от авокадо до цинний.

Спасительные микробы

Вернувшись на Гавайи, после своего удручающего похода на «кладбище» P. kaalaensis, Джефф Зан задумался о том, как защитить местные растения в диких условиях, например, в горах Оаху.

Подобно людям, которых, по мнению Зана, антибиотики могут оставить уязвимым для заражения вредными микробами, навредив популяции микроорганизмов, P. kaalaensis получила аналогичное лечение в теплице, где растение регулярно обрабатывалось фунгицидами. Джефф понял, что лечение, вероятно, уменьшило колонии микроорганизмов, лишило их естественного микробиома и ослабило их иммунную систему, оставив беззащитными перед угрожающим вирусом плесени, когда-то попавшей в джунгли.

Людям, принимавшим антибиотики, пробиотики — полезные бактерии — могут помочь восстановить равновесие. Зан подумал, что подобная стратегия, применение своего рода пробиотика для растений может помочь защитить маленькую мяту при будущих попытках вернуть ее в естественную дикую природу.

В качестве пробиотика Зан решил использовать «двоюродного братишку» маленькой мяты, Phyllostegia hirsuta, который более закален и способен выжить в дикой природе. Он измельчал листья P. hirsuta в блендере и распылял получившуюся суспензию на мяту, растущую в инкубаторе.

Затем Зан отправлял лист, зараженный мучнистой росой, в воздухозаборник инкубатора. Мята, обработанная суспензией из листьев своего родича, переносила легче тяжелые инфекции по сравнению с необработанными растениями. Об этом Зан вместе со своим коллегой Энтони Амендом, также работающим в Гавайском университете в Маноа, сообщили в прошлом году в PeerJ. Пробиотик сработал!

Зан использовал секвенирование ДНК для идентификации микробов в суспензии. «Братишка» помогает маленькой мяте, но ученый считает, что он нашел защитника посерьезнее — дрожжи под названием Pseudozyma aphidis, которые живут на листьях растений.

«Эти дрожжи обычно просто пассивно поглощают питательные вещества из окружающей среды, — говорит Зан. — Но, если навести их на нужного противника, они превратятся в настоящего зверя. Когда споры плесени окружают их, у дрожжей начинают расти щупальцеобразные нити, которые, как мне кажется, обволакивают и питаются вредной плесенью».

Ободренный полученными результатами, Зан вернулся в джунгли и посадил шесть растений, обработанных суспензией, в апреле 2016 года. Они прожили около двух лет, но к маю 2018 года все равно погибли.

«Я считаю: несмотря ни на что, это была огромная победа», — говорит Николь Хинсон, общественный эколог Маноа. В конце концов, мята без пробиотиков жила всего несколько месяцев. И применение пробиотиков может быть протестировано и вне исследования одной маленькой мяты, добавляет Хинсон: «Мы действительно начинаем думать о том, как мы можем использовать микробиомы для решения проблемы восстановления растений».

Зан с тех пор переехал в Университет Юта Вэлли в Ореме, где он надеется помочь находящимся под угрозой исчезновения кактусам с помощью микробов. Он передал свой проект Phyllostegia Джерри Коко, аспиранту в лаборатории Хейнсона. Коко изучает, как дрожжи и некоторые корневые грибы защищают это растение.

Хинсон говорит, что их цель состоит в том, чтобы придумать «суперплан». С распыленными пробиотиками и на корнях, и на побегах «прокачанная» мята должна хорошо потренироваться, чтобы стать сильной и научиться сопротивляться плесени. В тепличных экспериментах, по словам Коко, растения с обоими видами полезных микробов даже визуально имеют меньше мелких пятен с мучнистой росой, чем растения, которые не получали пробиотического лечения.

Да, восстановление маленького цветущего растения или нескольких бушелей соевых бобов могут показаться несущественными победами. Но они могут предвещать большие успехи для помощи микробиомов растений и в сохранении отдельно взятых видах, и в сельском хозяйстве. Может так случится, что фермеры и защитники природы в будущем станут высаживать и обрабатывать не только сами растения, но и их микроскопических помощников.