Бактерии, называемые Bradyrhizobium, образуют опухолевидные узелки на корнях растений и способны «фиксировать» азот, расщепляя его и превращая в формы, которые растения могут легко усвоить.«Бактериальные эпидемии — обычное дело, но, за исключением заметных патогенов, мы редко понимаем, что заставляет бактерии распространяться среди населения», — сказал Джоэл Сакс, доцент биологии, руководивший исследованием. «Почему одни штаммы распространяются эпидемически, а другие нет, не совсем понятно».Сакс и его команда собрали генетические данные из более чем 350 бактериальных клубеньков, выращенных на растениях-хозяевах по всей Калифорнии. В качестве растения-хозяина, на котором сосредоточились исследователи, был Acmispon strigosus, распространенное растение, произрастающее на юго-западе Соединенных Штатов, которое имеет почти непрерывный ареал по всей Калифорнии.
Они обнаружили, что несколько штаммов бактерий доминируют в местных популяциях растений и распространились по всему штату.«Эти бактерии имеют геномы, которые примерно разделены на две области», — пояснил Сакс. «Одна область, хромосома, в основном выражается во время свободного существования, когда бактерии находятся в почве. Другая область, называемая« островом симбиоза », важна во время симбиотических взаимодействий с растением-хозяином, таких как инфекция растений и фиксация азота. Мы обнаружили, что эпидемия была вызвана исключительно хромосомной областью бактериального генома ».
Сакс отметил, что эпидемические штаммы очень успешно переносятся в почве и конкурируют за заражение растений, возможно, объясняя, почему они сохраняются и доминируют во многих различных местах.«Распространение могло произойти через подвижность почвы или через ураганы», — сказал Сакс.
Результаты исследования опубликованы в Трудах Королевского общества Б.Исследователи также изучили, какие черты заставили эпидемические штаммы сохраняться во многих местах и, следовательно, на различных почвах. Они протестировали редкие и эпидемические штаммы на самых разных источниках углерода — источниках энергии для бактерий.
Они обнаружили, что эпидемические штаммы способны обрабатывать гораздо большее разнообразие соединений, чем редкие штаммы.«Генетические данные и данные об использовании углерода в сочетании с генетическими данными позволяют предположить, что один или два штамма доминируют в штате Калифорния, потому что они могут успешно работать в почве», — сказал Сакс. «Генетическая область бактерии, которая активна в почве, является единственной областью, имеющей признаки распространения эпидемии».Bradyrhizobium — важные симбионты для многих растений, особенно для бобовых.
Они также являются критически важными симбионтами для важных сельскохозяйственных культур, включая соевые бобы, арахис и коровий горох, и являются основным источником азотных питательных веществ для всех живых организмов на Земле.По словам Сакса, борьба с местными эпидемиями, подобными той, что наблюдается в Bradyrhizobium, может стать благом для разработки биоудобрений.«На протяжении десятилетий агрономы пытались использовать эти бактерии в качестве биоудобрений», — сказал он. «Идея использования этих бактерий для увеличения роста сельскохозяйственных культур имеет большой смысл, поскольку Bradyrhizobium может обеспечивать растения свободным азотом устойчивым и естественным образом.
Напротив, химическое удобрение является дорогостоящим с точки зрения ископаемого топлива, а также является основной загрязнитель ".Однако он предупредил, что попытки использовать бактерии в качестве биоудобрений потерпели неудачу, потому что инокулированные штаммы не могут конкурировать с местными бактериями в почве и в конечном итоге не могут успешно инфицировать растение.«Обнаруженные нами эпидемические штаммы Bradyrhizobium могут выжить и доминировать в различных почвах, а также обладают ключевыми характеристиками, которые хотелось бы получить от биоудобрений», — сказал он.В исследовании подчеркивается, что некоторые штаммы бактерий значительно более приспособлены, чем другие.
Это также показывает, что именно конкуренция в почве, а не симбиоз с растениями-хозяевами определяет, какие штаммы бактерий распространяются.«Биологи все больше начинают ценить полезные бактерии, но мы все еще мало понимаем, что заставляет их тикать», — сказал Сакс. «Получив лучшее понимание полезных бактерий на растениях-хозяевах, мы можем разработать инструменты для улучшения этих взаимодействий в сельскохозяйственных культурах и биотопливе».