Исследование, проведенное группой из Канзасского университета, сосредоточено на «силе гибрида», также известном как «гетерозис», хорошо известном явлении, когда от скрещивания инбредных линий кукурузы и других культур получают потомство, которое превосходит своих родителей по урожайности и устойчивости к засухе. и другие желаемые качества. Тем не менее, механизмы, лежащие в основе гетерозиса, мало изучены, несмотря на более чем вековые интенсивные исследования.

Новое исследование PNAS изучает взаимосвязь между гетерозисом и почвенными микробами, показывая, что в большинстве случаев гетерозису способствует микробное сообщество.

«Гибридная сила очень важна в сельском хозяйстве, потому что одной из причин значительного увеличения урожайности сельскохозяйственных культур за последние несколько десятилетий было использование гибридных сортов, которые, как правило, намного продуктивнее, сильнее и здоровее, чем инбредные сорта», — сказал он. ведущий автор Мэгги Вагнер, младший научный сотрудник Канзасского биологического управления и Центра экологических исследований и доцент кафедры экологии и эволюционной биологии Канзасского университета. «Несмотря на то, насколько это важно, мы до сих пор не до конца понимаем, почему гибриды настолько превосходят инбредных. Большое внимание было уделено генетике силы гибридов, что имеет смысл, потому что гибридизация — это генетический процесс, но есть некоторые свидетельства окружающая среда также важна для влияния на силу гибридов.

В серии экспериментов Вагнер и ее соавторы обнаружили, что в большинстве случаев инбредные родительские линии и гибридные скрещивания работают одинаково в стерильных условиях, без присутствия микробов, но гетерозис «может быть восстановлен путем инокуляции простым сообществом из штаммов семи бактерий». Исследователи наблюдали такие же результаты для сеянцев, инокулированных «автоклавированной жидкой почвой в сравнении с жидкой почвой в камере для выращивания, и для растений, выращенных в пропаренной или окуренной почве по сравнению с необработанной почвой в поле».

Соавторами Вагнера в KU были Кайла Клаус и Лора Филлипс. Другими соавторами были Клара Танг, Фернанда Сальвато, Александрия Бартлетт, Симина Винтила, Мануэль Кляйнер, Марк Хоффманн, Шеннон Сермонс и Питер Балинт-Курти из государственного университета Северной Каролины. Проповеди и Балинт-Курти также работают с Министерством сельского хозяйства США.

«В лабораторных экспериментах мы выращивали растения в пластиковых пакетах, чтобы создать для них полностью стерильную среду», — сказал Вагнер. «Это позволило нам полностью контролировать, какие микробы, если таковые имеются, взаимодействовали с растениями. Итак, это всего лишь базовая микробиология вместе с новым типом среды для выращивания. Но затем в полевых условиях мы попробовали несколько различных подходов к стерилизации растений. почва, в том числе просто паровая фумигация, которая часто используется, особенно при производстве фруктов и овощей. На самом деле она обычно не используется для выращивания кукурузы, но для этого эксперимента нам было целесообразно это сделать. И мы также попробовали некоторые химические фумиганты, и получил аналогичные результаты со всеми этими методами».

В эксперименте по пропариванию почвы на полевой станции KU, который временно устраняет или уменьшает количество микробов, исследователи обнаружили, что пропаривание «увеличивает, а не уменьшает гетерозис, что указывает на то, что направление эффекта зависит от состава сообщества, окружающей среды или того и другого».

«Это сложно, и мы еще не до конца понимаем, что происходит», — сказал Вагнер. «Первые три эксперимента показали одно и то же направление эффекта. Но затем в четвертом эксперименте мы снова обнаружили, что микробы влияют на гетерозис, но это было в противоположном направлении, когда гибрид имел более положительную реакцию на стерильные условия. Мы думаю, что это могло быть просто связано с чем-то особенным в микробном сообществе в почве для этого эксперимента, но мы еще не уверены».

За новой статьей должно последовать исследование в том же духе, поддержанное новым грантом в размере 900 000 долларов США от Национального научного фонда с участием многих из тех же сотрудников, с Вагнером, выступающим в качестве одного из главных исследователей.

Работа по гранту будет проводиться по трем направлениям: тестирование ряда микробов на их способность повышать жизнеспособность гибридов кукурузы; поиск генетических вариантов и участков генома кукурузы, которые реагируют на почвенные микробы; и изучение поведения микробов в корнях инбредной и гибридной кукурузы на молекулярном уровне. Исследователи надеются, что их работа поможет улучшить методы ведения сельского хозяйства и охраны природы.

«У нас есть очень простое наблюдение микробов, влияющих на жизнеспособность гибридов, но мы не смогли продолжить его без некоторого финансирования — этот грант продвинет вперед то же направление исследований», — сказал Вагнер. «Мои сотрудники — Мануэль Кляйнер из NC State, который является экспертом в метапротеомике, которая является способом измерения экспрессии белка микробов внутри корней растений. Мы надеемся узнать больше о том, как гибриды и инбреды по-разному взаимодействуют с микробами, возможно, Другим нашим сотрудником является Питер Балинт-Курти из Министерства сельского хозяйства США. Он является экспертом в области иммунной системы кукурузы и генетических основ устойчивости к болезням, поэтому он собирается составить карту некоторых генов, связанных с реакцией гибридов на микробы.

Здесь, в Канзасе, аспирантка моей лаборатории Кайла Клаус, Мы рассмотрим некоторые из более широких закономерностей этого явления — например, мы еще не знаем, будут ли все гибриды кукурузы одинаково реагировать на микробы. Пока мы подтвердили это только на одном гибриде, поэтому нам нужно выяснить, насколько это можно обобщить, и мы также надеемся выяснить, что такого в микробном сообществе, что может повлиять на эту реакцию в любом направлении. Многие ее будущие диссертационные работы будут связаны с этим проектом». Мы также надеемся выяснить, что именно в микробном сообществе может повлиять на эту реакцию в любом направлении. Многие ее будущие диссертационные работы будут связаны с этим проектом». Мы также надеемся выяснить, что именно в микробном сообществе может повлиять на эту реакцию в любом направлении. Многие ее будущие диссертационные работы будут связаны с этим проектом».