Некоторые открытия происходят случайно. Давайте вспомним о том, что произошло 28 сентября 1928 года: Александр Флеминг вернулся в лабораторию после отпуска с семьей и начал разбирать грязные чашки Петри. «Лицо», выросшее в одной чашке, привлекло внимание ученого — и так началась история первого в мире антибиотика: пенициллина.
Недавно в Университете штата Делавэр, США, растения остались без полива в течение долгого уик-энда, что привело ученых к интригующим выводам, которые особенно важны для засушливых регионов Земли, таких как американский Запад, Европа, Австралия, части Африки, Юго-Восточной Азии и Южной Америки.
Климатологи говорят, что в предстоящие годы мы должны ожидать более частых и суровых засух, в то время как эксперты по населению прогнозируют 30-процентное увеличение населения мира до более чем 9 миллиардов к 2050 году. Как мы будем выращивать достаточное количество пищи для всех в условиях изменения климата? Согласно этому исследованию, ответ может лежать прямо под нашими ногами.
Вернемся к эксперименту. Появившись в лаборатории утром, ученые обнаружили, что один поднос с рассадой был полон увядшим растениями, в то время как растения на другом подносе выглядели бодро.
Единственное различие между лотками состояло в следующем: почва в подносе с процветающими образцами была обработана Bacillus subtilis (UD1022), штаммом бактерий, обнаруженном несколько лет назад в Университета Делавэра группой исследователей во главе с профессором Харшем Бейсом из Отдела растений и почв.
Команда Бейса определила, что эти микробы, которые живут на поверхности корней и в окружающей почве, способны заставлять закрываться поры на листьях, называемые устьицами, чтобы растение могло защититься от патогенов и от обезвоживания. Узнав об открытии команды Бейса, профессор Янь Цзинь, специалист по почве, решила «копнуть грубже» и узнать, могут ли микробы воздействовать на почву, в которой они обитают.
«Существует большой пробел в нашем понимании того, как доброкачественные микробы могут влиять на так называемую «зеленую воду» — воду в почве, доступную для растений», — пояснила Цзинь.
Она хотела знать, может ли UD1022 изменять свойства почвы — ее структуру, химию и другие параметры по отношению к «зеленому водоснабжению». Она хотела точно знать, что происходит в почве, и попыталась найти ответ.
В статье, недавно опубликованной в журнале «Исследования водных ресурсов», Цзинь и ее университетская команда из вместе с коллегами из Национального института стандартов и технологий (NIST) подтвердили, что полезный микроб UD1022 уменьшает испарение и повышает способность почвы удерживать воду. Используя самые современные методы, исследование дает подробный анализ того, как микробы взаимодействуют с частицами почвы, чтобы физически изменить подземную экосистему и помочь растениям перенести засуху.
Эксперименты проводились как в лаборатории Университета Делавэра, так и в NIST с использованием технологии мощной нейтронной визуализации.
В закрытой окружающей среде ученые одновременно работали с двумя образцами почвы — контрольным образцом и образцом, обработанным микробами UD1022, — непрерывно измеряли характеристики удержания влаги почвой и скорость испарения воды, поскольку почва высушивалась в камере.
Эксперименты проводились для различных текстурированных почв: песка, песчаной почвы и богатых глиной образцов, взятых с университетской фермы и с сельскохозяйственной экспериментальной станции в Джорджтауне, штат Делавэр.
Чтобы определить, что происходит в образцах почвы, команда использовала возможности нейтронной рентгенографии в NIST. «Нейтроны могут «видеть» воду», — говорит Цзинь. — «Поскольку они сильно взаимодействуют с водородом, то обеспечивают идеальный метод для изучения распределения воды в деликатных материалах, таких как образцы почвы, содержащие микробы, в режиме реального времени».
Крошечные цилиндры заполнили почвой — одна такая крошечная колонка обрабатывалась микробами UD1022, а другая не обрабатывалась. Затем колонны были насыщены водой, а нейтронные изображения регистрировали процесс испарения. Всего по каждому образцу было получено 1500 индивидуальных изображений примерно за девять часов. Ученые подробно рассмотрели распределение воды в образцах, а также динамику испарения в реальном времени. Мощный сканирующий электронный микроскоп помог выявить, что микробы делали в образцах.
Боковые изображения контрольного образца почвы (слева) и справа образец почвы, обработанный микробами UD 1022. Образцы были насыщены водой, а нейтронные изображения регистрировали испарение в течение примерно девяти часов. Синий и зеленый указывает на содержание воды в почве. Образец, обработанный микробами, был явным победителем в удержании воды.
И как эти крошечные организмы (UD1022) помогают почве удерживать воду? «Этот эффект вызван способностью микробов образовывать желатиновую сеть, биопленку из сложной смеси полисахаридов, белков, липидов, витаминов и сахаров», — сказала Цзинь. — «Как будто бактерии строят эти маленькие домики для себя».
Биопленка, которую генерируют бактерии, действует как клей, образуя «почвенные агрегаторы», которые могут удерживать больше воды.
Макрофотография частиц песка, обработанных микробными наночастицами, — «склеены» вместе.
«Эти микроорганизмы и их клеящая матрица могут впитывать воду, как губка, поглощая в 10 раз больше воды, чем их сухой вес», — говорят ученые. — «Эта естественная биопленка изменяет свойства почвы, что приводит к более медленному испарению и может сделать больше влаги доступной для растений, что важно в условиях засухи».
В то время как большая часть Восточного побережья США не имеет проблем с дождями, а осень там приходит рано, другие американские регионы, да и другие страны, страдают от постоянных, а в некоторых случаях и угрожающих жизни, засух. Цзинь надеется, что UD1022 может сыграть позитивную роль в сельском хозяйстве в этих засушливых регионах, поскольку глобальное население растет.
«Что мы можем сделать для обеспечения продовольственной безопасности?» — рассуждает Цзинь. — «Растения могут быть генетически модифицированы, но это занимает много времени. Компании продают биоудобрения для решения этих проблем — иногда они работают, но чаще всего нет.
Вот почему более фундаментальные исследования имеют решающее значение, чтобы помочь нам понять механизмы работы почвы. Понимая взаимодействие между корнями растений и микробиомом почвы — в значительной степени неиспользуемым подземным ресурсом — мы надеемся разработать новые технологии, которые увеличат производство продуктов питания и в то же время уменьшат использование химических удобрений».
Исследование получило внешнюю поддержку от фондов Министерства сельского хозяйства США (USDA).
