Закись азота, продукт использования удобрений, может нанести вред некоторым почвенным бактериям | Новости Массачусетского технологического института

Рост растений поддерживается миллионами крошечных почвенных микробов, конкурирующих и сотрудничающих друг с другом, поскольку они выполняют важную роль в корне растения, включая улучшение доступа к питательным веществам и защиту от патогенов. В качестве побочного продукта своего метаболизма почвенные микробы также могут производить закись азота или N.₂О, мощный парниковый газ, который в основном изучается на предмет его воздействия на климат. В то время как некоторые Н₂O встречается в природе, его производство может резко возрасти из-за применения удобрений и других факторов.

Хотя долгое время считалось, что закись азота не оказывает значимого взаимодействия с живыми организмами, новая статья двух исследователей из Массачусетского технологического института показывает, что на самом деле она может формировать микробные сообщества, делая некоторые бактериальные штаммы более склонными к росту, чем другие.

Основываясь на распространенности биологических процессов, нарушаемых закисью азота, исследователи подсчитали, что около 30 процентов всех бактерий с секвенированными геномами восприимчивы к токсичности закиси азота, предполагая, что это вещество может играть важную и недооцененную роль в сложных микробных экосистемах, влияющих на рост растений.

У исследователей есть опубликовали свои выводы сегодня в мБиожурнал Американского общества микробиологии. Если результаты их лабораторных исследований будут перенесены в сельское хозяйство, это может повлиять на то, как фермеры будут выполнять повседневные задачи, которые подвергают сельскохозяйственные культуры воздействию скачков закиси азота, такие как полив и удобрение.

«Эта работа предполагает, что Н.₂На производство O в сельском хозяйстве стоит обратить внимание ради здоровья растений, – говорит старший автор Дарси МакРоуз, профессор Массачусетского технологического института Томас Д. и профессор развития карьеры Вирджинии В. Кэбот, написавшая статью вместе с ведущим автором и аспирантом Филипом Уоссоном. – Это не было в поле зрения людей, но оно особенно вредно для определенных микробов. Это может быть еще одним ударом по N.₂O в дополнение к его воздействию на климат. Проведя дополнительные исследования, вы, возможно, сможете понять, как время N₂Производство O влияет на эти микробные взаимоотношения, и этим временем можно управлять, чтобы улучшить здоровье сельскохозяйственных культур».

Токсичный газ

Десятилетия назад было показано, что закись азота токсична, когда исследователи поняли, что она может дезактивировать витамин B12 в организме человека. С тех пор он в основном привлекал внимание как долгоживущий парниковый газ, который может разъедать озон. Но когда дело доходит до сельского хозяйства, большинство людей полагают, что оно не взаимодействует с организмами, растущими в почве вокруг корня растения, в области, называемой ризосферой.

«Вообще есть предположение, что N₂O вообще не вреден, несмотря на историю опубликованных исследований, показывающих, что он может быть токсичным в определенных контекстах», — говорит МакРоуз, который поступил на факультет гражданского и экологического строительства в 2022 году. «Люди не распространили это понимание на микробные сообщества в ризосфере».

Хотя некоторые исследования показали чувствительность к закиси азота у некоторых микроорганизмов, меньше известно о том, как она влияет на распределение микробных сообществ в корнях растений. МакРоуз и Уоссон стремились восполнить этот пробел в исследованиях.

Они начали с рассмотрения повсеместного процесса, используемого клетками для роста, называемого биосинтезом метионина. Биосинтез метионина может осуществляться ферментами, зависящими от B12, а также другими ферментами, которые от него не зависят. Многие бактерии имеют оба типа.

Используя хорошо изученный микроб под названием синегнойная палочкаИсследователи генетически удалили фермент, который не зависит от B12, и обнаружили, что микроб стал чувствительным к закиси азота, причем его росту наносился вред даже из-за закиси азота, которую он вырабатывал сам.

Затем исследователи изучили синтетическое микробное сообщество растения. Арабидопсис Талианаобнаружив, что многие корневые микробы также чувствительны к закиси азота. Сочетание чувствительных микробов с бактериями, продуцирующими закись азота, замедляло их рост.

«Это говорит о том, что Н.₂Бактерии, производящие O, могут повлиять на выживание своих непосредственных соседей», — объясняет Уоссон. Совместные эксперименты подтвердили подозрения исследователей о том, что производство закиси азота может препятствовать росту почвенных бактерий, зависящих от витамина B12 для производства метионина.

«Эти результаты позволяют предположить, что производители закиси азота формируют микробные сообщества», — говорит МакРоуз. “В лаборатории результат очень ясен, и работа выходит за рамки простого изучения одного организма. Эксперименты по совместному культивированию – это не то же самое, что исследование в полевых условиях, но это сильная демонстрация”.

Из лаборатории на ферму

На фермах почва обычно испытывает скачки содержания закиси азота в течение нескольких дней или недель из-за добавления азотных удобрений, осадков, оттаивания и других событий. Исследователи предупреждают, что их лабораторные эксперименты являются лишь первым шагом на пути к пониманию того, как закись азота влияет на микробные популяции в сельскохозяйственных условиях.

Уоссон называет работу доказательством концепции и планирует в дальнейшем изучить сельскохозяйственные почвы.

«В сельскохозяйственных условиях N₂Исторически высокий уровень O был исторически высоким, — говорит Уоссон. — Мы хотим посмотреть, сможем ли мы обнаружить сигнатуру этого N.₂Воздействие O в ходе исследований по секвенированию генома, где единственные микробы, живущие вокруг, не чувствительны к N₂О. Это очевидный следующий шаг».

МакРоуз говорит, что полученные результаты могут привести к тому, что исследователи и фермеры по-новому подумают об закиси азота.

«Что важно и интересно в этом случае, так это то, что он предсказывает, что микробы с одной версией фермента будут чувствительны к N₂O и те, у кого другая версия фермента, не будут чувствительны», — говорит МакРоуз. «Это говорит о том, что в окружающей среде воздействие N₂О собирается отбирать определенные типы организмов на основе их геномного содержания, что является легко проверяемой гипотезой».

Работа была частично поддержана Комитетом поддержки исследований Массачусетского технологического института и Совместной стипендией выпускников MIT в области здравоохранения и биологических наук (HEALS).