Modyfikacja ryzosfery wspiera odporność pszenicy na stres
Zmiana klimatu i wzrost liczby ludności na świecie stanowią jedne z najpoważniejszych wyzwań, jakie stoją przed producentami żywności. Z tego względu świat potrzebuje podstawowych roślin uprawnych dających niezawodny plon i odpornych na czynniki stresogenne związane z klimatem, w tym wysokie temperatury, zasolenie, powodzie i susze. W ramach projektu RhizoEng, realizowanego przy wsparciu działań „Maria Skłodowska-Curie”, przeprowadzono badania dotyczące możliwości wykorzystania sygnalizacji między wydzielinami korzeniowymi pszenicy a pożytecznymi drobnoustrojami glebowymi do stworzenia bardziej odpornych odmian.
Hodowla syntetycznej społeczności w ryzosferze
Ryzosfera to obszar w glebie, w którym funkcje metaboliczne rośliny oddziałują z otaczającymi ją drobnoustrojami. Wydzieliny uwalniane do gleby przez korzenie roślin, takie jak aminokwasy, kwasy organiczne i cukry, pełnią rolę sygnałów chemicznych, które przyciągają mikroby. Opierając się na potencjale tej naturalnej symbiozy, zespół projektu RhizoEng postawił hipotezę, według której stworzenie syntetycznej społeczności ryzosfery metodą inżynieryjną, polegającą na modyfikacji grup drobnoustrojów będących w kontakcie z wydzielinami korzeniowymi, mogłoby doprowadzić do wykształcenia się odpornych na suszę odmian pszenicy. Aby przetestować swoją teorię, uczeni z projektu RhizoEng przeprowadzili dogłębną analizę pozwalającą na skrupulatną charakterystykę wydzielin obecnych w glebie w warunkach naturalnych. Było to możliwe dzięki opracowaniu znormalizowanej i systematycznej procedury ekstrakcji tych wydzielin. W ramach projektu przeprowadzono również wstępne badania przesiewowe służące wyselekcjonowaniu pożytecznych i reaktywnych szczepów drobnoustrojów. Jak twierdzi Ajay Madhusudan Sorty, stypendysta działań „Maria Skłodowska-Curie”: „Takie podejście umożliwiło nam uzyskanie określonych szczepów drobnoustrojów, jak również składników wydzielin korzeniowych będących cząsteczkami sygnałowymi, jednocześnie zapewniając trwałą obecność wszczepionych do gleby mikroorganizmów w pobliżu strefy korzeniowej”.
Interdyscyplinarne doświadczenia szklarniowe
Ekologia biochemiczna – w szczególności inżynieria ryzosfery – to nowa, prężnie rozwijająca się dziedzina. W projekcie wykorzystano informacje i podejścia z kilku dyscyplin, w tym mikrobiologii, botaniki, biologii molekularnej i ekologii molekularnej, z myślą o uzupełnieniu dotychczasowej wiedzy na temat oddziaływań gospodarz–mikrobiom w glebie i opracowaniu praktycznych narzędzi uprawy roślin. Wyniki tych badań opierają się na dwóch skrupulatnie zaprojektowanych i wykonanych doświadczeniach szklarniowych. W ramach pierwszego eksperymentu udało się zidentyfikować cechy wydzielin korzeniowych pszenicy w naturalnej glebie w warunkach suszy. Z kolei drugie badanie dotyczyło reakcji drobnoustrojów korzystnych dla pszenicy. Sorty tak komentuje wyniki doświadczeń szklarniowych: „W warunkach stresu dodanie syntetycznych wydzielin korzeniowych jako przekaźników sygnalizujących kolonizację poprawia cechy ryzosfery pod względem ekologii biochemicznej, wskazując, że podejście to jest solidnym narzędziem modyfikacji ryzosfery pszenicy umożliwiającym walkę z wywołaną stresem dysbiozą, będącą zaburzeniem równowagi w mikrobiomie”.
Przyszłość inżynierii ryzosfery
Projekt RhizoEng pozwolił po raz pierwszy wyjaśnić działające pod powierzchnią ziemi mechanizmy sygnałowe wydzielin korzeniowych pszenicy w warunkach suszy. Innowacyjne podejście oparte na inżynierii ryzosfery wyraźnie pokazuje, jak duże znaczenie dla uprawy roślin odpornych na suszę ma ekologia biochemiczna. W perspektywie krótkoterminowej obiecujące wyniki eksperymentalne uzyskane w ramach projektu zostaną udostępnione społeczności akademickiej i naukowej, aby wesprzeć prace nad innowacjami technologicznymi potrzebnymi do łagodzenia wpływu stresu abiotycznego na rośliny uprawne. W perspektywie średnio- i długoterminowej podjęte zostaną działania mające na celu zwiększenie skali, a co za tym idzie upowszechnienie strategii modyfikacji ryzosfery, a także wykazanie skuteczności tego podejścia w odniesieniu do innych upraw. Jak zaznacza Sorty: „Udało nam się zidentyfikować wydzieliny, które aktywują korzystne reakcje drobnoustrojów zdolnych do łagodzenia stresu i sprzyjają ogólnie pozytywnym oddziaływaniom między roślinami a mikrobiomem”. Te optymistyczne wyniki zasługują na dalsze badania. Zapewnianie stabilnych dostaw żywności w niesprzyjających warunkach jest potężnym wyzwaniem, z którym ludzkość musi się zmierzyć. W tym kontekście wyniki projektu RhizoEng stanowią drogowskaz dla dalszych działań.
Słowa kluczowe
RhizoEng, ryzosfera, inżynieria ryzosfery, pszenica, odporna na suszę, wydzieliny korzeniowe, pożyteczne drobnoustroje, syntetyczna społeczność, doświadczenia szklarniowe, ekologia biochemiczna
