НАУКА |19 МАРТА 2024 Г.
После столетий забвения ботаники используют новые методы, чтобы понять корни
Листья и корни проанализированы ботаником Мэйсоном Хеберлингом,
Представьте себе растение — ваш любимый цветок, траву из сада или величественное дерево. Представляя себе элементы флоры, помните ли вы о корнях? Если нет, то вы в хорошей компании.
«Корни, безусловно, играют центральную роль в растительных системах, но когда дело доходит до внимания и исследований в области биологии растений, основное внимание уделяется надземным побегам, тканям листьев и фотосинтезу», — говорит Амир Ахками, биолог из Тихоокеанского департамента энергетики. Северо-Западная национальная лаборатория.
Корни обычно составляют по крайней мере половину биомассы растения, но вы этого не узнаете, учитывая, как мало научных исследований было посвящено этим важным усикам. Лишь недавно учёные начали проводить дни на солнце корням растений — в таких областях, как исследование коллекций, климатология и микробиология. Исторически причины этого несоответствия были смехотворно просты: изучить то, что нужно раскопать, не так уж и просто.
Тем не менее, сотни лет назад учёным удалось изучить эти неуловимые предметы с помощью гениальных методов. Еще в 19 веке ботаник Юлиус фон Сакс выращивал растения в корневом ящике со стеклянными стенками, чтобы изучить их корневую систему in situ . Его современники — биологи Эдвард Янчевски, Сидней Говард Вайнс и Вильгельм Пфеффер — добились важных успехов в нашем понимании роста, развития и осмоса корней соответственно. Тем не менее, специализация прошедших столетий отделила науку о корнях от остальной ботаники, что побудило авторов крупного учебника по корням дать подзаголовок своей работе «Скрытая половина». Но теперь научный ренессанс корневых систем подпитывается сочетанием технологических достижений и поразительным осознанием: корни, как мы теперь знаем, могут помочь нам отслеживать наш меняющийся мир, формировать продовольственную безопасность и моделировать наше будущее.
Возвращаясь к истории науки о корнях
На протяжении веков специалисты по коллекциям смотрели на грязные корни образцов и считали их в лучшем случае загрязнением. Для этих специалистов, отвечающих за коллекции гербария, содержащие от сотен до сотен тысяч образцов высушенных растений, корни растений были помехой для сохранения по нескольким причинам. Полная корневая система может усложнить процесс сбора и превысить размеры стандартного листа гербария (16,5 на 11,75 дюймов). Более того, вредители могли прятаться в почве, прикрепленной к корням экземпляров, и могли уничтожить всю коллекцию, если не принять оперативных и агрессивных мер. Результатом этих осложнений было то, что корни часто вообще не включались в образцы. Одно исследование 2019 года показало, что только четверть образцов четырех основных видов, изученных в гербарии, содержали корни.
Ботаник Мейсон Хеберлинг, соавтор этого исследования, сосредоточился на 48 образцах, содержащих корни, которые были собраны в течение 127 лет. Вместо того, чтобы зацикливаться на недостатках корневых систем, он решил реализовать их потенциал как нетронутых, неиспользованных капсул времени.
«Что меня взволновало и заинтересовало, так это то, что образцы были довольно грязными», — говорит он. «Я был поражен тем, что смотрел на образец, собранный более 100 лет назад, а затем, в более широком смысле, я также подумал: «Боже, на корнях есть кусочки грязи, которым более 100 лет».
Ботаник Мейсон Хеберлинг за работой
Хеберлинг, помощник куратора ботаники Музея естественной истории Карнеги в Питтсбурге, изучил существующую литературу о корнях растений в коллекциях гербария. В 2022 году он пришел с пустыми руками, написав, что, насколько ему известно, ни одно исследование не проводило изучения свойств корней (таких как длина, диаметр, масса или микробный состав) в образцах гербариев. Гербарии «являются неиспользованными хранилищами» такого рода данных, пишет он.
Хеберлинг решил провести некоторые исследования, которые, по его мнению, были упущены из виду. Изучив высушенные образцы в своей коллекции, он заметил, что корни растений сохраняют запасы грибковой ДНК еще долгое время после их смерти. Подобно тому, как люди передают важные части пищеварения микробам, населяющим наш кишечник, растения полагаются на аналогичную микробную сеть для производства гормонов, переработки питательных веществ и борьбы с болезнями. Эти грибы могут обволакивать корни или даже проникать в их внешние слои, как это относится к типу, называемому арбускулярными микоризными грибами. И, как и в случае с микробиомом человека, вопрос о том, что представляет собой «я» по сравнению с «другим», во многом является философским: удалите микробы из растения или человека, и организм перестанет развиваться.
Хеберлинг предположил, что корни высушенного растения будут содержать уникальный набор грибов, действуя как снимок данного места и времени. Обладая такими данными, он сможет ответить на фундаментальные вопросы о видах растений, которые были широко представлены в музейных коллекциях за последние два столетия. Одинаковы ли арбускулярные микоризные грибы, колонизирующие вид, на всей территории его географического ареала, или разные регионы могут быть связаны со своими собственными микробами? И изменился ли состав этих сообществ с течением времени в ответ на изменение климата, кислотные дожди и инвазивные виды?
«Несмотря на то, что существует множество действительно интересных исследований и много фундаментальных знаний о [биологии корней], мы многого не знаем», — говорит он.
Его первая попытка, подробно описанная в этом исследовании 2019 года, подтвердила его догадку о том, что ДНК грибов можно успешно выделить из корней 21 из 48 сохранившихся образцов, которые представляют четыре вида полевых цветов западной Пенсильвании, собранных в период с 1881 по 2008 год. Более того, Хеберлинг и эколог Дэвид Берк из Holden Forests and Gardens провел гениальный контрольный эксперимент, чтобы убедиться, что эти грибы не являются загрязнителями, занесенными после сбора образца. Они попытались, но безуспешно, изолировать ДНК арбускулярных микоризных грибов из листьев образцов. Поскольку эти грибы колонизируют только корни растений, присутствие грибов на листьях может указывать на заражение.
Теперь постдокторант Хеберлинга Бен Ли использует записи гербариев для реконструкции грибковых сообществ белого триллиума, полевого цветка, встречающегося на востоке Северной Америки. Составляя карту этих сообществ в пространстве и времени, это исследование позволит ученым беспрецедентным образом заглянуть в прошлое и увидеть, как наши действия могут формировать траекторию поразительного цветка.
«Большой вопрос глобальных изменений заключается в следующем: изменились ли эти микоризные сообщества с течением времени? Потому что мы действительно не знаем. Это невидимо», — говорит Хеберлинг. Ли, добавляет он, «наблюдает за видимыми эффектами этих невидимых игроков».
Модели заземления в возможностях корней
Растения играют ключевую роль в моделях климата, поскольку они являются поглотителями углерода. Пока они живы, они улавливают углерод, а также другие элементы, удаляя углекислый газ из воздуха и превращая его в сахара. Некоторые из этих сахаров идут на создание корней; корни также сжигают сахар и выделяют углерод обратно в атмосферу. А различия в форме корней и эффективности меняют количество углерода и других питательных веществ, поглощаемых и рециркулируемых данным растением. Но климатические модели исторически не учитывали разнообразие корневых систем в своих расчетах.
«Многие модели, которые пытаются предсказать климат Земли и круговорот углерода, сосредоточены на особенностях надземных растений», — говорит Стефани Кивлин, эколог и биолог-эволюционист из Университета Теннесси в Ноксвилле. «Большинство из них вообще не имеют корней — они просто предполагают, что все корни одинаковы».
Сохранившиеся листья и корни красного триллиума
Кивлин осознает необходимость более точного представления корней в этих моделях, но она признает, что настроить большую климатическую модель не так просто, как вставить строку кода. Компьютеры моделируют климат, решая несколько сложных уравнений о движении и круговороте воздуха, воды и энергии. Введение переменных, таких как информация о корневых системах, может сделать компьютерное решение этих уравнений более точным, но их решение становится намного сложнее. И чем сложнее становятся эти уравнения, тем больше времени, вычислительной мощности и ресурсов они требуют.
Работая в рамках этих ограничений, Кивлин и ее коллеги скорректировали глобальную климатическую модель, включив в нее арбускулярные микоризные грибы и эктомикоризные грибы, которые не проникают в корни. Эти два типа грибов заставляют растения по-разному перерабатывать воду, азот и другие элементы. Она и ее соавторы обнаружили, что климатическая модель, учитывающая арбускулярные микоризные грибы и эктомикоризные грибы, была на 80 процентов более точной в прогнозировании круговорота азота. Когда в почве меньше азота, растения не могут эффективно накапливать углерод, что ограничивает их потенциал поглотителей. Учитывая дихотомию между двумя корневыми грибами, Кивлин нашел эффективный способ улучшить модель климата, введя только одну переменную.
Укрепление сельскохозяйственных культур благодаря лучшему пониманию их корней
Одна из наиболее важных ролей, которую микробы играют для растений, — это увеличение потребления корнями жизненно важных питательных веществ, таких как вода, фосфор, медь и цинк. Баланс этих соединений определяет рост растения, а также его устойчивость к экстремальным погодным явлениям. Понимая, как выглядит идеальная корневая система для данного вида растений, фермеры могут скрещивать два естественно устойчивых растения и создавать более выносливые сорта сельскохозяйственных культур.
Использование этого огромного потенциала для улучшения урожая – вот почему Джонатан Линч, недавно вышедший на пенсию биолог из штата Пенсильвания, посвятил свою карьеру изучению корней.
«Я не пошел в науку, думая, что стану биологом корней. Я занялся наукой, думая, что смогу что-то сделать с голодом в мире», — говорит он. «Но моя работа ясно показала мне, что настоящая проблема здесь связана с корнями».
Глобальный голод взлетел до рекордно высокого уровня в 2023 году из-за сочетания конфликтов и последствий изменения климата. В январе авторы доклада Организации Объединенных Наций подсчитали, что почти четверть населения планеты страдает от засухи. В начале своей карьеры Линч осознал, что различия между высоко-и низкоурожайными культурами только усугубляются в плохих условиях.
А в «плохой почве», как он это называет, «разница между хорошим растением и плохим растением — это корни». Когда ресурсы почвы ограничены, устойчивые корневые системы могут проникать глубже и максимально эффективно использовать окружающую среду.
Но 40 лет назад характеристики многообещающей корневой системы были плохо определены. Поэтому Линч и его коллеги изобрели протокол оценки корней растения, который они назвали «лопатомикой». Субдисциплина в основном обозначает изучение всего, что можно вырвать с корнем лопатой.
Shovelomics заменяет передовые лабораторные технологии популярным металлическим инструментом, который можно купить в любом хозяйственном магазине. Протокол Линча для этой субдисциплины включает в себя идентификацию и выкапывание образцов, а затем создание показателей, по которым можно судить о корневых системах нескольких растений. Количество корней и скорость их разветвления; их длина; их диаметр; и углы, под которыми они выходят из побегов растения, могут служить подходящим для сравнения.
Когда Линч впервые представил свою статью о лопатомике в 2010 году, он говорит, что редактор журнала пригрозил похоронить ее из-за того, как глупо звучало это название. Несмотря на первые опасения, «многие люди увлеклись лопатомикой», говорит он. Поиск по лопатомике в исследовательской системе Google Scholar выявил более 1200 научных статей.
Но требование, чтобы исследователи прибегали к выкапыванию целых растений для наблюдения за их корнями, по-прежнему является препятствием для открытий, говорит Ахками. «Если только это не конец сезона или ваш эксперимент, и эти растения вам больше не нужны, возможно, вы не захотите выкапывать растения целиком», — говорит он.
Что, если бы существовали неинвазивные способы количественной оценки корневых систем? Некоторые исследователи тестируют методы и технологии изучения корней, пока они остаются в земле. Одна вашингтонская компания CID Bio-Science создает миниризотроны, которые представляют собой прозрачные трубки и камеры, установленные в земле и позволяющие фиксировать рост корней в режиме реального времени. Со своей стороны, Линч недавно стал соавтором нового исследования, в котором используются измерения элемента стронция в листьях растений для оценки длины корней. По его словам, в результате этой работы вскоре может появиться устройство наземного мониторинга.
«Можно даже представить себе [устройство с] светом, поэтому всякий раз, когда вы щелкаете по листу более глубокого растения, оно светится небольшим зеленым светом, а более мелкое — красным», — говорит Линч.
По мнению Линча, подобные устройства могут помочь фермерам и селекционерам выбирать более выносливые сорта сельскохозяйственных культур — с более толстыми, длинными или более плотными корнями, которые могут поглощать дефицитные питательные вещества — что является заметным отходом от предыдущих сельскохозяйственных революций, по мнению Линча. В прошлом фермеры применяли такие инновации, как химические удобрения и автоматизированное орошение, чтобы максимизировать количество доступных питательных веществ для сельскохозяйственных культур. Однако, поскольку люди сталкиваются с ограниченностью ресурсов, эта стратегия больше не является жизнеспособной.
«Мы не можем просто удобрять и орошать, чтобы избежать всего», — говорит он. «Это вторая зеленая революция, и я думаю, что эти корни будут ключевыми».
56.3к
