Почему кукуруза так хорошо растет?

Обильные урожаи кукурузы и других основных культур зависят от загадочного явления, известного как гибридная сила. При скрещивании высокоинбредных сортов их потомство становится выше, выносливее и дает больше зерна. Теперь исследователи сообщают, что на эту энергию каким-то образом влияют микробы в почве, возможно, через иммунную систему растений.

«Это действительно интересное открытие», - говорит Джайлс Олдройд, генетик растений из Кембриджского университета, который не принимал участия в исследовании. «Я удивлен, что до сих пор его изучили».

Чарльз Дарвин был одним из первых исследователей, описавших жизнеспособность гибридов. В начале 20 века биологи начали применять этот эффект в сельском хозяйстве, создавая инбредные родительские линии, дающие гибридные семена. К 1940-м годам почти каждый фермер в Соединенных Штатах сажал гибридную кукурузу, и урожайность увеличилась.

Генетики предложили несколько теорий о причинах жизнеспособности гибридов, но окончательного объяснения так и не появилось.

Мэгги Вагнер, генетик растений из Канзасского университета, Лоуренс, и ее коллеги задались вопросом, могут ли быть замешаны микробы. Крошечные организмы могут оказывать большое влияние на растения. Например, листья и корни часто заселяются сообществами полезных бактерий и грибов, которые помогают защитить растение от болезнетворных микробов. Некоторые культуры, такие как соевые бобы и другие бобовые, содержат микробы, которые питают их азотом - важным питательным веществом для растений, которое в противном случае фермеры должны доставлять вместе с удобрениями.

В прошлом году Вагнер и его коллеги нашли интересный ключ к разгадке в ходе полевого исследования. Они обнаружили, что листья и корни гибридной кукурузы имеют микробные сообщества, отличные от тех, которые живут на инбредных сортах кукурузы.

Когда пришла зима и поля оказались под паром, Вагнер попытался повторить открытие с помощью лабораторного эксперимента. Исследователи посадили семена в пакеты с подобным почве веществом, которое было стерилизовано, чтобы убить все микробы. Затем они добавили простое сообщество почвенных бактерий - семь штаммов, которые, как известно, колонизируют корни кукурузы, - в некоторые пакеты, оставив другие стерильными. Когда присутствовали микробы, гибриды росли лучше, чем инбредный сорт, как и ожидалось, с корнями, весящими на 20% больше. Однако, к их удивлению, гибридные и инбредные растения кукурузы росли примерно одинаково в стерильной почве , как они сообщают в этом месяце в Proceedings of the National Academy of Sciences . Вес их корней и побегов практически не отличался.

Открытие подтвердилось, когда ученые повторили эксперимент, добавив полный набор микробов, взятых из почвы, в некоторые из стерилизованных пакетов. «Результаты выглядят убедительно, - говорит Олдройд.

Вывод? «Что-то в том, чтобы быть гибридом, заставляет растение по-другому взаимодействовать с микробами», - говорит Вагнер. Основываясь на некоторых результатах, команда считает, что микробы замедляют рост инбредов, а не дают им особый толчок.

Возможно, иммунная система инбредов слишком остро реагирует на доброкачественные микробы, что ставит под угрозу их рост. (Эксперимент не включал никаких патогенов.) В качестве альтернативы, гибридные растения могут лучше защищаться от слабых патогенов в почве. «У нас запланировано много работы, чтобы развить эту идею», - говорит Вагнер.

Олдройд говорит, что результаты подчеркивают необходимость для селекционеров согласовывать генетику сельскохозяйственных культур с микробными сообществами, с которыми они живут. Полученные данные подчеркивают важность понимания роли почвенных микробов в повышении продуктивности и устойчивости сельского хозяйства, добавляет Корне Питерс, биолог растений из Утрехтского университета. «Это многообещающе».