W bliskiej przyszłości skojarzone układy roślin i bakterii funkcjonujące w celu wzajemnego czerpania korzyści, mogą zostać zastosowane w roślinach uprawnych, aby uzyskać genotypy roślinne o wysokiej wydajności. Oczekuje się, że populacje drobnoustrojów poprawią wykorzystanie składników odżywczych przez rośliny i pomogą zmniejszyć potrzebę nawożenia.
Obecnie tylko w ograniczonym stopniu rozumiemy precyzyjne transformacje biochemiczne i wymiany, do jakich dochodzi między roślinami i mikroorganizmami. Nadal nie stwierdzono, które gatunki najskuteczniej wspierają wzrost roślin i asymilację składników odżywczych. Dostępne są jednak dowody na to, że genotypy roślin wykazują zdolność do różnicowania, pozwalającą im wpływać na wąski obszar gleby zwany ryzosferą, do którego bezpośrednio dostają się substancje wydzielane przez korzenie.
Realizowany pod programem „Horyzont 2020” projekt PINBAC, który wygrał indywidualne stypendium działania „Maria Skłodowska-Curie”, powstał w odpowiedzi na te luki w wiedzy naukowej i badał wymianę składników odżywczych między rośliną a mikroorganizmami, do której dochodzi w ryzosferze. Było to możliwe dzięki najnowocześniejszym technikom z zakresu proteomiki i metabolomiki zintegrowanym z modelowaniem metabolicznym.
Nowe podejście do badania interakcji roślina-mikroorganizm
Naukowcy wykazali, że proteomiczne analizy ilościowe, czyli wielkoskalowe badania białek, mogą z powodzeniem zostać wykorzystane do analizy zróżnicowanych pod względem taksonomicznym szczepów bakterii zasiedlającej ryzosferę. „Udało nam się także zintegrować fenotyp wzrostu i dane proteomiczne z modelami obliczeniowymi metabolizmu bakteryjnego”, mówi koordynator projektu, dr Stanislav Kopriva, stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie”.
W ramach projektu ustalono również, że występujący w ryzosferze szczep bakterii Pseudomonas wykazywał metaboliczną elastyczność dokonując wielkoskalowego przemodelowania swojego proteomu w odpowiedzi na różne organiczne źródła azotu.
Ponadto naukowcy opracowali innowacyjną metodologię chromatografii cieczowej ze spektrometrią mas na potrzeby badania wymiany składników odżywczych między rośliną a mikroorganizmem. To egzometabolomiczne podejście znane również pod nazwą „metabolicznego odcisku palca” pozwoliło im zbadać specyficzne metabolity pozakomórkowe oraz stwierdzić do jakiego stopnia szlaki zużywania substratów poszczególnych szczepów bakteryjnych różnią się od siebie. Jak twierdzi dr Kopriva: „Udało nam się przetestować podejście egzometabolomiczne w połączeniu z proteomiką i modelowaniem”. Wyniki prac zostały opublikowane w czasopiśmie „Molecular Plant-Microbe Interactions”.
W proteomicznym badaniu metabolizmu azotu, projekt PINBAC pozyskał nową, szczegółową wiedzę o drobnoustrojowym metabolizmie azotu w ryzosferze. Dr Richard Jacoby i dr Kopriva zdefiniowali szlaki metaboliczne wykorzystywane przez zróżnicowane szczepy bakteryjne ryzosfery w celu przyswajania organicznych źródeł azotu, a doniesienia te zostaną niebawem opublikowane.
Przegląd interakcji roślin i związanych z ich systemem korzeniowym bakterii poprawiających ich przyswajanie składników mineralnych został opublikowany w czasopiśmie „Frontiers in Plant Science”.
Artykuł zatytułowany „The Role of Soil Microorganisms in Plant Mineral Nutrition–Current Knowledge and Future Directions” podsumowuje obecny stan wiedzy z kilku dziedzin badawczych których połączenie może pomóc lepiej zrozumieć mechanizmy molekularne kształtujące skład mikrobiomu ryzosfery i jego dynamikę.
Lepszy wzrost roślin i przyswajalność składników odżywczych
Projekt PINBAC dostarczył także pakietu białek i szlaków metabolicznych, związanych z wymianą składników odżywczych między roślinami i mikroorganizmami. „Geny związane z tymi białkami mogą być potencjalnymi celami dla przyszłych metod hodowli roślin uprawnych, które miałyby na celu zwiększenie ilości pożądanych szczepów bakteryjnych w obrębie roślinnego mikrobiomu. Mogą zostać także wykorzystane w metodach projektowania ryzosfery, mających na celu takie manipulowanie składem mikrobiomu, aby sprzyjać wzrostowi roślin i wykorzystywaniu przez nie dostępnych zasobów”, komentuje dr Kopriva.
Metodologiczne podejścia opracowane w czasie trwania projektu będą potencjalnie bardzo korzystne dla przyszłych europejskich badań ukierunkowanych na stworzenie informacji o mechanizmach metabolicznych interakcji zachodzących między rośliną a jej mikrobiomem.
Dr Kopriva podsumowuje: „Wyniki projektu PINBAC mogą tym samym stanowić podstawę dla opracowania praktyk rolniczych, mających na celu ograniczenie wykorzystania nawozów mineralnych i poprawę zrównoważoności rolnictwa”.
Redakcja AgroNews, na podst. CORDIS
