Спорный симбиоз: как грибы помогают растениям стать выносливее

В одной из лабораторий Удмуртского государственного университета (УдГУ) биологи проводят необычный эксперимент: они заражают растения патогенными грибами и затем выращивают их в почве, загрязненной тяжелыми металлами. Такие испытания на выносливость проводят, чтобы выяснить, станут ли растения более устойчивыми к промышленным химическим отходам. В будущем подобную биотехнологию можно использовать для рекультивации и восстановления земель.

К каким результатам привели эти исследования и как грибы помогают растениям адаптироваться к опасной среде, разбираемся вместе с одним из авторов проекта, старшим преподавателем кафедры инженерной защиты окружающей среды УдГУ Надеждой Исламовой.

Дружелюбный сосед

На самом деле идея о симбиозе грибов и растений не нова: большинство наземных видов проводят свою жизнь с этими микроорганизмами. Они помогают эффективно поглощать из почвы питательные микроэлементы, выживать в стрессовых условиях, например во время засухи или активности патогенов.

Ижевские исследователи решили узнать, могут ли подобные организмы быть у растений на загрязненных территориях. Считается, что грибы в такой местности не просто более устойчивы к загрязнителям, но и способны передать эту устойчивость своим хозяевам.

Рост растений

«Мой научный руководитель, доктор биологических наук, профессор Бухарина Ирина Леонидовна вместе со своими аспирантами изучали состояние древесных насаждений на территории города Ижевска. Они заметили, что некоторые особи, несмотря на загрязненные условия, чувствуют себя довольно хорошо. Возник вопрос — почему так? Возможно, что им в этом кто-то помогает?» — рассказывает специалист.

Чтобы это выяснить, биологи отобрали образцы корней древесных растений в техногенно-нарушенных районах и провели серию исследований, включая ДНК-анализ. Ученым удалось не только обнаружить организмы-симбиоты, но и выделить самые полезные из них. Такими оказались эндофитные (то есть, населяющие ткани живых растений и при этом не наносящие им вред) грибы Fusarium equiseti и Cylindrocarpon magnusianum.

Первый вид, как отметила автор проекта, достаточно широко встречается в природе. Хотя долгое время этот корневой эндофит считался патогенным, однако с недавних пор стал привлекать внимание из-за своей способности выступать в качестве биоконтроллера в борьбе с корневыми патогенами: он не позволяет заболеванию в растениях распространяться.

Второй вид, Cylindrocarpon magnusianum, относят к слабым патогенам травянистых и древесных растений, а также сапрофитам, получающим питательные вещества от мертвой растительности. В то же время такие грибы часто встречаются в местах нефтяного загрязнения, что, по мнению экспертов, можно использовать для восстановления таких земель.

Тяжелые испытания

По словам исследователей, эти виды оказались эффективны еще и тем, что их можно выращивать в лабораториях (так как не все эндофиты способны выживать вне корней растений). В ходе экспериментов к ним в чашки Петри добавляли соединения на основе нефти и тяжелых металлов, например хрома и свинца. Оказалось, что грибы, несмотря на высокие концентрации вредных веществ, довольно жизнеспособны. Им также удалось пройти проверку на температурный стресс до +35°С.

Далее из этих микроорганизмов создали жидкую биомассу, которую затем использовали для заражения растений — в качестве тестовых культур выбрали томаты и газонную траву — и продолжили выращивать в таких же загрязненных условиях. Специалисты тщательно изучали образцы, в том числе оценивали уровень так называемого малонового диальдегида — по этому показателю можно оценить стрессовое состояние растений. Чем больше этого вещества, тем больше стресса оно испытывает. Всего исследовали более 50 образцов, выращенных до стадии плодоношения.

Результаты показали, что наиболее благоприятное воздействие на растения оказывает та популяция грибов, которую изначально выращивали в загрязненных условиях. При этом интересно, что, в отличие от контрольной группы, биохимическое состояние у зараженных растений оказалось гораздо лучше.

Специалисты отмечают, что такая технология «подселения» эндофитов подходит для любых культур: эти микроорганизмы не являются видоспецифичными и могут жить в корнях разных видов. Но использовать ее рекомендуют только для тех случаев, когда есть опасение, что растение может погибнуть по техногенным причинам.

«Наша задача заключалась именно в том, чтобы проверить выживаемость растений в экстремальных условиях, в которых как раз и проявляются действия грибов. Если окружающая среда благоприятная, эти микроорганизмы не будут столь эффективны», — объясняет ученый.

Эффект прямого действия

Хотя подобные технологии в мире уже существуют, у них, по мнению авторов проекта, могут быть свои недостатки. Например, препарат на основе гриба рода Glomus можно выращивать только в корнях растений — в чашках Петри его получить нельзя.

«Этот препарат используется в виде спор, покрытых глиняной оболочкой. В нашем варианте мы используем жидкую грибную суспензию. Длительность инокуляции (то есть, заражения) у нас сокращается, поскольку идет более прямое воздействие на растения», — подчеркивает спикер.

В России также есть подобные препараты, однако, как указывает специалист, их научная обоснованность и эффективность пока остаются под вопросом. В будущем ученые намерены сравнить эти препараты со своей разработкой.

«В последнее время мы обратили внимание, что в продаже появились препараты на основе микоризы (симбиоз мицелия гриба с корнями высших растений — прим. ред.). Но с ними пока тоже не все понятно, в частности, на основе каких научных исследований они проведены, соответствуют ли требованиям. Этот вопрос нужно еще изучить», — пояснила Надежда Исламова.

В настоящий момент биологи завершили лабораторные эксперименты и в ближайшее время планируют провести полевые опыты, чтобы проверить технологию уже в естественных условиях.

«Я думаю, перспективы этих биологических объектов на самом деле довольно высокие. Например, эти грибы, находясь в корнях растения, позволяют удержать углерод в почве, уменьшая выбросы парниковых газов в атмосферу. Поэтому их нужно больше изучать. Не только в том направлении, которое мы сейчас рассматриваем, но и, в том числе, в вопросах климатической повестки», — заключает эксперт.

Анна Шиховец