Эндофитные грибы перестраивают основную микробиоту корневой системы для стимулирования роста арахиса и устойчивости к болезням

Эндофитные грибы перестраивают основную микробиоту корневой системы для стимулирования роста арахиса и устойчивости к болезням.

Микробные сообщества, связанные с растениями, часто рассматриваются как продолжение собственных генов и функций тела растения, которые критически важны для его роста, развития и иммунной устойчивости к болезням. Помимо широко исследованного микробиома межкорневого пространства, эндофитный микробиом системы корней растения, который имеет преимущество совместной эволюции с растительным хозяином в естественных условиях окружающей среды, вызывает более высокие ожидания в регулировании роста растений и устойчивости к болезням. Растительные эндофиты напрямую или косвенно влияют на рост и развитие растений, и их функциональные ценности варьируют от усиления устойчивости к болезням до стимулирования роста растений за счет фиксации азота или синтеза гормонов и ферментов. Среди них влияние эндофитных грибов на метаболизм растений и их обширное покрытие мицелиальной сетью в растениях наделяют эндофитные грибы потенциалом действовать как посредники между хозяином и эндосимбиотическим микробиомом, в то время как эндофитные бактерии в эндосимбиотическом микробиоме обеспечивают разнообразный спектр экологических сервисных функций для хозяина благодаря их большому разнообразию. Однако дисбаланс и функциональные нарушения этих микробных сообществ могут привести к нарушению роста и развития растений, что приводит к вспышкам болезней и потере урожая. Применение растительных пробиотиков признано как устойчивая стратегия сельского хозяйства, и положительные эффекты пробиотиков на растения-хозяева выходят далеко за рамки функции одного микроорганизма. Существует все больше доказательств того, что перестройка микробиоты в различных условиях окружающей среды критически важна для благоприятных экологических услуг растительных пробиотиков.

Эндофитный гриб Phomopsis liquidambaris смог значительно смягчить производственные препятствия, вызванные непрерывным выращиванием арахиса, и увеличить урожай арахиса. Эффективная колонизация этого эндофита способствует росту растений, развитию боковых корней и корневых волосков, усвоению и метаболизму азота, а также повышению устойчивости растений к биотическим и абиотическим стрессам, среди других положительных эффектов. Однако мало известно о микробном составе корневого эндофитного ядра и о влиянии его изменений на здоровье растений. Исследователи предположили, что колонизация P. liquidambaris может перестроить основное корневое эндофитное микробное сообщество в пользу адаптации растений, обеспечивая растения возможностью процветать в непрерывных почвах.

Исследователи оценили эффекты инокуляции эндофитных плесневых колец стволов кленов на рост арахиса в непрерывных почвах и обнаружили, что высота и биомасса растений в непрерывных почвах значительно ниже, чем у растений в непрерывных почвах. Однако для группы обработки, инокулированной P. liquidambaris, арахисовые растения показали лучшее преимущество в росте по высоте и биомассе на всех репродуктивных стадиях, которые были значительно выше, чем у контрольной группы обработки, и конечный урожай также был значительно выше. Эти результаты показали, что P. liquidambaris способствует росту арахиса и защищает его от болезней в условиях непрерывного выращивания. Тем временем было исследовано возникновение корневой гнили и болезней листьев арахиса без обработки. По сравнению с группой обработки непрерывного посева, тяжесть болезни листьев на стадии образования стручков и корневой гнили на стадии роста семян значительно увеличилась у арахиса, выращенного в условиях непрерывного посева, и тяжесть болезни увеличилась на 47,62% и 113,37% соответственно. Однако тяжесть болезней листьев и корневой гнили арахиса в непрерывной почве, инокулированной P. liquidambaris, значительно снизилась на 27,41% и 62,5% соответственно, по сравнению с непрерывной почвой. Кроме того, относительное содержание патогенных грибов в почве Fusarium acuminatum и антракноза Colletotrichum значительно снизилось после инокуляции P. liquidambaris, с относительным содержанием, сниженным на 48,2% и 70,16% соответственно.

Фиг. 1. Стимулирующее воздействие P. liquidambaris на рост и устойчивость к болезням арахисовых растений.

Далее исследователи изучили влияние инокуляции P. liquidambaris на эндофитное бактериальное сообщество арахиса и обнаружили, что состав эндофитного бактериального сообщества арахиса значительно различался в зависимости от обработки, что указывает на то, что колонизация P. liquidambaris вызывает изменения в эндофитном бактериальном сообществе на разных стадиях роста растения и способствует обогащению потенциально полезными бактериями, такими как медленнорастущие ризобактерии и стрептомицеты. Анализ NetShift показал, что Burkholderia spp., Rhizobium spp. медленнорастущие, Pseudomonas spp. и Streptomyces spp. могут быть ключевыми таксонами в эндофитной ядерной микробиоте корневой системы арахиса. Для оценки влияния эндофитных бактерий, ассоциированных с P. liquidambaris, на здоровье арахисовых растений были выбраны 30 штаммов Burkholderia spp, Rhizobium spp. медленнорастущие, Pseudomonas spp., Bacillus spp. и Bacillus spp., связанные с ядерной флорой. Из них 15 штаммов способны фиксировать азот, 15 штаммов способны солюбилизировать неорганический фосфор, 10 штаммов способны производить хитиназу, 11 штаммов способны производить ксиланазу и 6 штаммов способны производить целлюлазу.

Было выбрано десять штаммов с потенциальными росто- и бактериостатическими свойствами для создания синтетической колонии. Свежий вес корней арахиса, обработанных синтетической колонией, был на 37,08% выше, чем у неинокулированной обработки; свежий вес растений увеличился на 34,06%. Кроме того, инокуляция синтетическими колониями снизила возникновение гнили корней арахиса и содержание Fusarium acnes в почве, а также способствовала развитию корней арахиса. Эндофитный гриб P. liquidambaris в одиночку и синтетическая флора снизили тяжесть гнили корней арахиса на 51,26% и 57,46% соответственно. При достижении арахиса зрелости применение синтетической микоризной флоры значительно увеличило надземную и корневую биомассу арахиса и урожайность на 35,56%, 81,19% и 34,31% соответственно.

Это исследование предоставляет новую перспективу для выявления многочисленных положительных эффектов пробиотиков, т.е. эндофитных грибов в качестве индукторов, используемых для улучшения основного эндофитного микробиома корневой системы, тем самым способствуя росту растений и устойчивости к болезням.

Фиг. 2 Сопротивление болезням и росто-стимулирующие эффекты синтетической флоры