Grybais užtaisyti augalai gali įveikti karštį

Trumpesnį kelią gali pasiūlyti augalų mikrobiomas – grybų, bakterijų ir virusų konsorciumas, gyvenantis ant kiekvieno augalo šaknų. Augalai, gyvenantys ekstremaliose sąlygose, pavyzdžiui ant Everesto šlaitų ar Jutos dykumose, kad ištvertų sunkias sąlygas, naudoja mikrobiomus. „Augalai vieni patys to padaryti negali,“ sako Russellas Rodriguezas iš Vašingtono universiteto Sietle.

Mainais už maistines medžiagas, simbiotiniai mikroorganizmai padeda augalams pasiimti iš dirvos azotą ir saugo juos nuo karščio, sausrų ir ligas sukeliančių organizmų.

2002 metais Rodriguezas su kolegomis tyrinėjo žolę – Dichanthelium lanuginosum, – augančią 70 °C temperatūroje prie Jeloustouno geoterminių šaltinių. Kai komanda sterilizavo žolės sėklas, pašalindami augale gyvenančius grybelius, dar vadinamus endofitais, žolė aukštoje temperatūroje augti nebegalėjo (Science, DOI: 10.1126/science.1078055).

Tai pakišo jiems mintį: gal perkėlus sausrai atsparių augalų mikrobiomą įprastiniams augalams, šie naudotų mažiau vandens?

Siekdami tai išsiaiškinti, Rodriguezas su kolegomis atskyrė D. lanuginosum endofito sporas ir apipurškė jomis kviečių sėklas, paprastai augančias temperatūroje iki 38 °C. Sporomis apdoroti kviečiai galėjo augti 70 °C temperatūroje ir jiems reikėjo iki 50 % mažiau vandens, nei įprastai (The ISME Journal, DOI: 10.1038/ismej.2007.106).

Skirtingi mikrobiomai kultūriniams augalams gali suteikti skirtingas supergalias. Rodriguezo grupė atskyrė druską toleruojančios kopažolės (Leymus mollis), ir aukštai augančių, pakeliančių 5 °C temperatūrą žemuogių (Fragaria vesca) endofitų sporas. Jomis apipurkšti ryžiai atitinkamai tapo atsparūs druskai ir šalčiui. Taip pat jie užaugo penkis kartus didesni ir jiems tereikėjo pusės paprastai sunaudojamo vandens (PLoS One, DOI: 10.1371/journal.pone.0014823).

Rezultatai pasirodė iškart: per 24 valandas nuo apipurškimo, sėklos pradėjo leisti daugiau ir ilgesnių šaknų, nei sporomis neapdorotos sėklos. Komanda išsiaiškino, kad taip išreiškiami atsparumą stresui ir pakantumą sausrai apsprendžiantys genai. Tai rodo, kad endofitai galėtų padėti augalams ištverti tokias sausras, kokios dabar kankina JAV.

Rodriguezas mano, kad grybeliai „užveda“ augalų metabolizmą, nors tikslus mechanizmas dar nėra aiškus. „Augalas pats gali visa tai atlikti, tačiau be grybelių nesugeba to suderinti,“ sako jis.

Norint genetiškai sukurti sausrai atsparius augalus, reikia metabolinius procesus įjungti po vieną – tai brangus ir ilgas procesas. Tuo tarpu grybeliai juos įjungia visus iš karto. „Gamta tai išsiaiškino, mes dar ne,“ sako Jerry'is Barrow, dabar jau pensijoje, iš Naujosios Meksikos valstijos universiteto Las Cruces mieste.

Regina Redman, Rodriguezo bendradarbė ir partnerė sukūrė iš sporų miltelius, kuriais galima padengti bet kokių ž. ū. augalų sėklas. Pora įkūrė kompaniją Symbiogenics, dabar vykdančią lauko bandymus su ryžiais, apipurkštais Trichoderma grybeliu, išskirtu iš kopažolės. Grybelis leidžia ryžiams augti žemoje temperatūroje druskingoje aplinkoje; dėl klimato kaitos kylantis jūros lygis daro atsparumą druskai pageidaujama savybe.

Pirminiai rezultatai rodo, kad endofitais apdoroti augalai gali duoti 35 % daugiau grūdų, nei neapdoroti. Antrasis lauko bandymas vyksta Mičigane, sausros širdyje. Remdamasis laboratoriniais rezultatais, Rodriguezas sako, jog jie tikisi, kad endofitai sumažins augalams būtino vandens poreikį.

Dar daugiau, laboratoriniai testai rodo, kad endofitai nekenkia augalams ir drėgmėje, priešingai, nei sausroms atsparūs GM augalai, kurie, pasikeitus oro sąlygoms, auga prastai.

Dėl to endofitai turi užtikrintą pranašumą prieš GM augalus: ūkininkai gali patys nuspręsti ar reikia purkšti sėklas prieš sėją, užuot lošus loteriją su sausrai atspariais GM augalais. Dabar jis bando išskirti endofitinius grybelius kituose žemynuose. Jei kiekvienas kontinentas turi nuosavas grybelių „bibliotekas“, nereikės, pavyzdžiui, grybeliais iš JAV apdoroti Afrikos augalų.

Barrow ir Mary Lucero, taip pat iš Naujosios Meksikos valstijos universiteto, perkėlė endofitinius grybelius ir bakterijas nuo sausrai atsparių dykumos augalų Atriplex canescens ir Bouteloua eriopoda pomidorams, chili pipirams ir pašarinėms žolėms. Visų trijų kultūrų derlius padidėjo (USDA Forest Service Proceedings, 2008, p 83).

Lucero'o manymu, užuot izoliavus individualias grybelių rūšis, gali būti efektyviau pakinkyti visą mikrobų bendruomenę, mulčiuojant dirvą sausrai atsparių augalų šaknimis ir ten auginat ž.ū. kultūras. „Iš tiesų nežinome, kiek mikrobų ten yra; žiūrime į vieną mažytį paveiksliuką,“ sako ji. Skirtingų mikrobų rūšių sugyvenimas gali būti toks pats svarbus, kaip ir sugyvenimas tarp mikrobų ir augalų, priduria ji.

Kaip bebūtų, augalų mikrobiomų perkėlimas gali būti greitas būdas įvykdyti JT Maisto ir agrokultūros organizacijos tikslą – iki 2050 maisto gamybą padvigubinti. Laukiama, kad tokios sausros, kokios dabar kamuoja JAV, ateinančiais dešimtmečiais dažnės, tad augalų biologai nėra kupini vilčių, kad šį tikslą galėtų pasiekti, remdamiesi genų inžinerija.

„Biotechnologijos negali pakankamai greitai dirbti, kad atlaikytų 7 milijardų žmonių ir klimato kaitos spaudimą,“ pastebi Lucero'as. „Norint patenkinti maisto poreikį, mums reikia greitai prisitaikyti. Mikrobų bendruomenės visada prisitaikydavo greitai.“

Sara Reardon
New Scientist, № 2875