Biljke formiraju saveze sa mikrobima u zemljištu u kojem rastu. Mahunarke, na primer, imaju koristi od simbiotske veze sa mikrobima koji naseljavaju kvržice u svom korenu i „popravljaju“ azot u atmosferi kako bi bio dostupan za promovisanje rasta mahunarki. Ali da li su mikrobi uvek korisni za biljke? Ili konkurencija između sojeva za pristup biljci degradira uslugu koju bakterije na kraju pružaju?
Tim predvođen naučnicima sa Univerziteta Kalifornije, Riversajd, postavio je eksperimente kako bi odgovorio na ova pitanja i bolje razumeo proces takmičenja. Istraživači su koristili izvornu biljku iz Kalifornije sa čvorićima, Acmispon strigosus i set od osam kompatibilnih bakterijskih sojeva koji fiksiraju azot.
Oni su zarazili neke biljke sa svakim od osam sojeva kako bi direktno izmerili njihovu sposobnost da zaraze biljke i pružili koristi. Zatim su zarazili druge biljke parovima bakterijskih sojeva kako bi procenili kompetitivnu sposobnost svakog soja i efekat na performanse biljaka.
Istraživači su otkrili da konkurencija između sojeva korisnih bakterija u zemljištu degradira uslugu koju bakterije pružaju svojim domaćinima. Studija „Konkurentsko mešanje među rizobijom smanjuje koristi za domaćine“, objavljena je u časopisu Current Biologi.
„Tačnije, otkrili smo međusvojnu konkurenciju koja se javlja u tlu pre nego što bakterije zaraze biljku, što dovodi do toga da manje bakterija kolonizuju biljku, što rezultira time da biljka na kraju dobija manje koristi“, rekao je Džoel Saks, profesor evolucije, ekologije i biologije organizma, koji je predvodio istraživački tim.
„Da bismo razumeli simbiozu, često koristimo sterilne uslove u kojima je jedan soj bakterija ‘inokulisan’ ili uveden u inače sterilnog domaćina. Naši eksperimenti pokazuju da malo složeniji sistem – jednostavnim korišćenjem dva soja bakterija istovremeno – suštinski pomera ravnotežu koristi koje domaćini dobijaju, preoblikujući naše razumevanje kako funkcioniše simbioza.
Sachs je objasnio da je ključni izazov u poljoprivredi iskorištavanje usluga koje mikrobi mogu pružiti usjevima promovišući rast na održiv način, bez ekoloških troškova hemijskih đubriva. Njegova laboratorija proučava rizobiju – bakterije koje podstiču rast biljaka.
Rizobijalna konkurencija je dugogodišnji problem za održivu poljoprivredu. Rizobije formiraju korijenske čvorove na mahunarkama, unutar kojih bakterije fiksiraju azot za biljku u zamenu za ugljenik iz fotosinteze. Uzgajivači dugo pokušavaju da iskoriste rizobiju za održivo đubrenje osnovnih useva mahunarki kao što su soja, kikiriki, grašak i boranija.
„Moglo bi se pomisliti da bi upotreba rizobije kao inokulanata trebalo da omogući uzgajivačima da minimiziraju upotrebu hemijskog azota, koji je štetan po životnu sredinu“, rekao je Saks, koji predsedava Odeljenjem za evoluciju, ekologiju i biologiju organizma. „Ali takva inokulacija rizobija je retko uspešna. Kada uzgajivači inokulišu svoje useve visokokvalitetnom rizobijom – sojevima koji fiksiraju mnogo azota – ove ‘elitne’ sojeve nadmašuju autohtone rizobije koje su već u tlu i pružaju malu ili nikakvu korist domaćinima.
U svojim eksperimentima, Saks i njegove kolege su koristili sojeve bakterija čije su genome već sekvencionirali. Takođe su okarakterisali sojeve, koji su se kretali od veoma korisnih do neefikasnih u vezi sa fiksacijom azota, da bi tačno znali koliko su oni korisni za ciljne biljne vrste. Istraživači su sekvencionirali sadržaj više od 1.100 nodula, od kojih je svaki bio iz biljke koja je inokulisana sa jednom od 28 različitih kombinacija sojeva.
Zatim, istraživači su razvili matematičke modele da predvide koliko će koristi ko-inokulisane biljke dobiti na osnovu očekivanja od biljaka koje su bile „klonski zaražene“ (zaražene jednim sojem). Ovo je omogućilo istraživačima da izračunaju deficit rasta koji je posebno uzrokovan konkurencijom među vrstama.
„Naši modeli su pokazali da ko-inokulisane biljke imaju mnogo manje koristi od simbioze nego što se može očekivati od klonskih infekcija“, rekao je Arafat Rahman, bivši diplomirani student u Saksovoj laboratoriji i prvi autor istraživačkog rada. „Dok korisne bakterije dobro funkcionišu u laboratoriji, one se nadmeću u prirodnom okruženju. Na kraju krajeva, želimo da pronađemo soj bakterija – ili njihov skup – koji daje maksimalnu korist biljci domaćinu i koji je konkurentan sojevima bakterija koji su već u tlu.“
Saks je objasnio da naučnici moraju da sprovode eksperimente u veoma čistim uslovima da bi otkrili i razvili soj bakterija koji je veoma koristan za biljke.
„Na kraju krajeva, želimo da koristimo korisne bakterije u poljoprivredi“, rekao je on. „Da bismo identifikovali ove bakterije, obično bismo dodali jedan soj bakterije biljci u laboratoriji i pokazali da biljka raste mnogo bolje sa sojem nego bez njega. Međutim, na terenu je ta biljka prekrivena mikrobima, što komplikuje priču. U našim eksperimentima smo napredovali od korišćenja jednog soja do para sojeva da bismo videli kakav uticaj to ima na rast biljaka, pa su samo dva soja opala. Zanimljivo.
Rahman je naglasio da iako su potrebni eksperimenti da bi se utvrdilo koliko je bakterijski soj koristan, potrebni su i eksperimenti koji testiraju koliko je soj konkurentan u odnosu na panel drugih bakterijskih sojeva.
„Oba koraka su ključna“, rekao je on. „Naš rad je otkrio da neki od najboljih sojeva mogu biti veoma korisni za rast biljaka, ali čim ih uparite sa bilo kojim drugim sojem, ta korist je znatno smanjena. Dalje, važno je znati u kojoj fazi se odvija takmičenje među vrstama: pre nego što bakterija stupi u interakciju sa biljkom ili posle? Naš rad sugeriše da je to prvi i pruža koristan vodič za dizajniranje budućih eksperimenata za otkrivanje boljih eksperimenata u cilju isporuka.
Sachs je rekao da je u mnogim trenutnim eksperimentalnim dizajnom fokus na koristi za biljke.
„Važno je, međutim, imati na umu da su bakterije oblikovane prirodnom selekcijom“, rekao je on. „Neki od njih mogu biti veoma konkurentni u ulasku u nodule da bi zarazili biljku, ali nisu od velike koristi za biljku i to bi mogla biti osobina koja pobeđuje u prirodi. Ako želimo da iskoristimo mikrobne zajednice za usluge koje mogu da pruže biljkama i životinjama, moramo da razumemo dinamiku međusvoja u ovim zajednicama.“
Prema Sachsu i Rahmanu, prakse održivog rasta moraju biti kritični aspekt nove poljoprivrede kako bi se nahranilo rastuće stanovništvo na bazi ograničenih resursa.
„Ovo će zahtevati prevazilaženje metoda zagađivanja kao što je dodavanje ogromnih količina hemijskog azota u tlo“, rekao je Saks. „Razumevanje kako efikasno isporučiti korisne mikrobe ciljnom domaćinu je centralni izazov u medicini, poljoprivredi i nauci o stočarstvu. Otkrivanjem da dinamika međusvoja može smanjiti prednosti simbioze, naš rad je otvorio nove puteve istraživanja za poboljšanje održivih poljoprivrednih praksi.“
Saksu i Rahmanu su se u studiji pridružili Maks Manci, Kasandra Nadon, Ivan A. Perez, Variša F. Farsamin, Metju T. Lampe, Tram H. Le i Lorena Tores Martinez sa UCR, i Aleksandra J. Vajsberg i Džef H. Čang sa Državnog univerziteta Oregon. Rahman planira da se pridruži Državnom univerzitetu Oregon kao postdoktorski istraživač.
