Dürre ist eine der größten Bedrohungen für landwirtschaftliche Systeme und führt zu unvorhersehbaren Ernteerträgen, sinkenden landwirtschaftlichen Einnahmen und einer Zunahme von Krankheitsausbrüchen. Allein in den Vereinigten Staaten hat die Dürre die Nation seit den 1980er Jahren 249 Milliarden Dollar gekostet. Eine mögliche Lösung zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Pflanzen ist die Beimpfung von Saatgut mit Bakterien, auch bekannt als. pflanzliche „Probiotika“, von denen bekannt ist, dass sie die Dürretoleranz einer Pflanze verbessern. Während Wissenschaftler viele Mikroben identifiziert haben, die im Labor vielversprechend sind, erweist sich die Replikation ihrer Wirksamkeit in landwirtschaftlichen Feldstudien als viel schwieriger, hauptsächlich aufgrund komplexer Umweltvariationen in der realen Welt.
Neue Forschungsarbeiten unter der Leitung von Rebecca Bart, Ph.D., Associate Member, Donald Danforth Plant Science Center, und ihren Kollegen stellten sich der Herausforderung, die Lücke zwischen Labor- und Feldstudien in Bezug auf Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroorganismen und deren Einfluss auf die Dürretoleranz zu schließen. Ihre Arbeit hat das Potenzial, die Anpassung der Pflanzen an Dürrebedingungen zu beschleunigen und Erkenntnisse aus dem Labor für Landwirte im Feld zu optimieren. Ihre wegweisende Forschung wurde kürzlich in veröffentlicht Das ISME-Journal und eLife.
Die Autoren verfolgten einen Ansatz auf Systemebene, um Mikroben zu identifizieren, die die Reaktion auf Dürre in Sorghum beeinflussten, Arbeiten, die sich über „sterile, kontrollierte Umgebungen“ im Labor bis hin zu Feldexperimenten erstreckten, die voller komplexer Bodeneigenschaften, ungleichmäßiger Topographie und ungleichmäßiger Ansammlung von Wasserfeuchtigkeit waren . Das Team fand heraus, dass mindestens sechs Mikroben, die im Labor Wurzelentwicklungsdefekte verursachten und die Höhe der Sorghum-Setzlinge verlangsamten, auch das Sorghum-Wachstum auf dem Feld negativ beeinflussten.
„Der große Fortschritt hier“, sagte der korrespondierende Autor Bart, „besteht darin, dass wir ähnliche Muster in einer kontrollierten Umgebung und im Feld beobachtet haben. Dieses Ergebnis sagt uns, dass unsere Laborbeobachtungen real und relevant für die Landwirtschaft sind.“ Bemerkenswerterweise identifizierte das Forschungsteam auch eine neue Mikrobe, die das Wurzelwachstum förderte, ein entscheidendes Merkmal, um die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegenüber Trockenheit zu verbessern.
Die Forschung, die im Laufe der letzten fünf Jahre stattfand, war nicht ohne ihre eigenen Herausforderungen. „Umweltvariationen machen die reale Welt zu einem lauten Ort für die Durchführung von Wissenschaft“, schrieb der Erstautor und Senior Data Scientist des Danforth Center, Jeffrey Berry. Die Autoren mussten ein Modell entwickeln, um verwirrende biologische Variablen in Feldexperimenten zu berücksichtigen – Faktoren wie den pH-Wert des Bodens und den Phosphatgehalt, die an einem Feldstandort stark variieren können.
Durch die Kombination riesiger, multivariater Datensätze von Mitarbeitern verschiedener Institutionen, darunter der University of Nebraska-Lincoln, der Iowa State University, der Washington State University, der University of North Carolina-Chapel Hill, der Colorado State University und dem Joint Genome Institute, war Berry in der Lage Verwenden Sie ausgefeilte Rechenmodelle, um Variationen im Feld zu verstehen und zu überwinden.
Das Ergebnis war ein einzigartiges statistisches Modell, das Bodeneigenschaften berücksichtigte, die Merkmale sowohl bei Nutzpflanzen als auch bei Mikroben beeinflussten. Die Autoren konnten nun ihre Ergebnisse zwischen Labor und Feld vergleichen, ohne sich Gedanken darüber machen zu müssen, wie Umweltvariationen ihre Feldbeobachtungen verändern könnten. „Jeff hat herausgefunden, wie man einige wirklich komplizierte Puzzleteile verbindet“, schloss Bart.
Neben der Bewältigung komplizierter Statistiken und der Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern im ganzen Land war ein Teil des Erfolgs der Teams der Zugang zur beispiellosen Forschungsinfrastruktur des Danforth Centers. Beispielsweise nutzten die Autoren die Bellwether Foundation Phenotyping Facility, um im Rahmen ihrer kontrollierten Laborexperimente zu visualisieren und zu quantifizieren, wie Dürre- und Mikrobenbehandlungen das Wachstum und die Entwicklung von Sorghum beeinflussten.
Das Team beginnt damit, seine Methodik in anderen Anbausystemen wie Mais zu replizieren, und zukünftige Forschungspläne für diese Arbeit werden im neuen Zentrum für unterirdische Einflüsse auf Stickstoff und Kohlenstoff (SINC) des Danforth Center untergebracht, das von Bart und drei anderen gemeinsam geleitet wird Mitglieder des Danforth Centers.
Mingsheng Qi et al, Identifizierung nützlicher und schädlicher Bakterien, die sich auf die Reaktion von Sorghum auf Dürre auswirken, unter Verwendung von Multiskalen- und Multisystem-Mikrobiomvergleichen, Das ISME-Journal (2022). DOI: 10.1038/s41396-022-01245-4
Jeffrey C. Berry et al, Erhöhte Signal-Rausch-Verhältnisse in experimentellen Feldversuchen durch Regression räumlich verteilter Bodeneigenschaften als Hauptkomponenten, eLife (2022). DOI: 10.7554/eLife.70056