Как и защо си взаимодействат растенията и микробите?

Микробите се срещат почти навсякъде на Земята и са еволюирали през последните 3,5 милиарда години, за да оцелеят и да процъфтяват в различни местообитания, включително във и върху растения. Микробите са организми, които са твърде малки, за да се видят без използване на микроскоп, така че те включват неща като бактерии и едноклетъчни еукариоти – клетки, които имат ядро, като амеба или парамеций.

За растенията някои микроби са полезни, докато други могат да причинят опустошителни заболявания. Връзката между растенията и микробите е сложна и продължава от тяхната еволюция.

Двете общности си взаимодействат по различни начини, включително чрез обмен на хранителни вещества, осигуряване на защитни реакции, разпознаване и привързване и чрез симбиотична асоциация. Разбирането на механизмите на тези взаимодействия е от съществено значение за справяне с глобални предизвикателства като устойчивост на болести, продоволствена сигурност и изменение на климата.

Полезните взаимоотношения между растенията и микробите често започват с фотосинтезата, при която се произвеждат захари, които служат като вид разменна валута с микробите. Растенията могат сами да се борят за достъп до определени хранителни вещества в почвата и следователно да освобождават тези захари и други съединения в замяна на микробите, осигуряващи основни елементи като азот и фосфор.

Например, азотфиксиращите бактерии могат да превърнат атмосферния азот в амоняк, форма на азот, която повишава плодородието на почвата и наличността на азот, за да насърчи растежа на растенията.

Това управление на поведението на микробите е фокусирано главно върху три зони на растението: ризосферата (около корените), ендосферата (във вътрешните отделения) и филосферата (части от растението, намиращи се над земята).

Взаимодействията с полезни микроби в тези зони предоставят няколко полезни услуги, като стимулиране на растежа, и растенията са разработили уникални начини за набиране на специфични микроби с атрибути, които ще помогнат на този тип растения да процъфтяват най-добре.

Например, проучване на JIC от 2024 г. от професор Джейкъб Малоун демонстрира как ечемикът може да настрои фино своите коренови микробни общности чрез освобождаване на персонализирана смес от захари и други съединения. Чрез анализиране на микробиомите от два вида ечемик – Tipple и Chevallier – проучването показа, че всеки от двата вида има припокриваща се основна група микроби, свързани с техните корени, но с някои отчетливи разлики в общите общности. Когато изследователите разменят микробните общности между двата вида, сортовете ечемик не растат толкова добре, колкото успяха, когато бяха изложени на първоначалната си общност.

Чрез производството на съединения, които помагат на растенията да понасят натоварвания от околната среда (като суша, соленост и екстремни температури), микробите могат да им позволят да процъфтяват в различни среди, където обикновено се борят.

Някои бактерии и гъби действат като естествени телохранители, например ризобактериите и микоризните гъби. Ролята на тези полезни бактерии и гъбички е да действат като естествени защитници, образувайки защитен щит около растителните повърхности. Този защитен механизъм се простира отвъд отделното растение, като допринася за устойчивостта на цялата екосистема.

Един пример за това е как е доказано, че бактериите Pseudomonas произвеждат малки молекули, които могат да имат антибактериален ефект върху патогенните бактерии, причиняващи струпясване по картофите, заболяване, което причинява големи загуби на реколтата от картофи. В селското стопанство някои щамове полезни микроби могат дори да се прилагат върху културите, за да потиснат растежа на патогени. Полезните микроби могат също така да стимулират имунната система на растението, повишавайки способността му да отблъсква патогените, например чрез производство на сигнални молекули, които активират защитните пътища.

Чрез разбиране и използване на полезните взаимодействия между растенията и микробите могат да бъдат разработени нови стратегии за предотвратяване на болести по растенията и увеличаване на производителността.

Въпреки ползите, които микробите могат да осигурят, взаимодействията между растенията и микробите могат драматично да се променят, преминавайки от полезно към патогенно състояние. Това може да се случи по няколко причини, като промени в условията на околната среда, нивата на стрес при растенията, състава на микробните общности и/или други генетични фактори. Тези промени могат да въведат възможности за предишните полезни микроби да използват уязвимостите в защитата на растенията и да причинят болести.

Растенията могат да разпознават патогенни микроби и да инициират механизми за задействане на имунни отговори чрез наблюдение на свързаните с микроби молекулярни модели (MAMP). Те идентифицират MAMP като „собствени“ или „чужди“ и могат да предизвикат имунен отговор според тази информация. Това позволява на растенията да намалят инфекцията от патогенни микроби, без да инхибират полезните взаимодействия.

Чрез разбиране и използване на познания за начините, по които растенията и микробите комуникират и си взаимодействат могат да се подобрят екосистемите и да се осигурят устойчиви направления в земеделието и да помогнат на борбата с глобалните проблеми като като хранителна сигурност през следващите години.