Чтобы решить этот вопрос, первый автор исследования Шиджи Хоу провел эксперименты, в которых можно было контролировать надземные условия освещения и микробные условия под землей. При сравнении роста Arabidopsis thaliana (Thale Cress), выращенного в отсутствие корневых микробов (i.е., без микробов) к тем, которые колонизированы сложным сообществом из 183 бактерий, 24 грибов и 7 оомицетов, исследователи заметили, что присутствие микробов спасало рост растений, наблюдаемый в условиях низкой освещенности.
Эксперименты по инокуляции листовыми патогенами также показали, что растения, колонизированные микробами, также были более устойчивы к надземным листовым патогенам, чем стерильные контрольные растения, что указывает на то, что присутствие корневых микробов может способствовать как росту растений, так и защите при слабом освещении.
Сравнивая рост и защитные реакции колонизированных растений в двух условиях освещения, ученые отметили, что инвестиции в рост в условиях низкой освещенности происходили за счет защиты, поскольку индуцированные микробиотой защитные реакции были снижены, а растения были более восприимчивы к патогенам листьев в условиях низкой освещенности.
Приглушенный свет. Основываясь на этом наблюдении, авторы исследования предположили, что при неоптимальных условиях освещения растения предпочитают рост, индуцированный микробами, а не защитные реакции, индуцированные микробами. Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи проверили различные A. thaliana мутанты для выявления тех, которые не смогли инвестировать в рост при слабом освещении.
В соответствии с их гипотезой идентифицированные мутанты лучше сопротивлялись патогенам листьев. Кроме того, ученые обнаружили, что присутствие фактора транскрипции хозяина MYC2 имеет решающее значение для того, чтобы склонить чашу весов в пользу роста, индуцированного микробиотой, а не защиты, индуцированной микробиотой, в условиях низкой освещенности.
Затем исследователи продолжили исследование, может ли состав микробного сообщества под землей объяснить надземные инвестиции в рост за счет защиты при слабом освещении. Для этого они проанализировали состав микробиоты корней разных растений A. thaliana и наблюдали, что состав бактериального сообщества заметно различается в зависимости от того, инвестируют ли разные растения в рост при слабом освещении.
Этот эксперимент привел к идентификации 67 штаммов бактерий, которые, как было предсказано, связаны со спасением роста растений при слабом освещении. Чтобы проверить потенциальную причинную связь, исследователи подготовили три различных бактериальных сообщества, состоящих из: 1) всех 183 штаммов, 2) 183 штаммов, не имеющих 67 штаммов, которые, как предполагается, важны для восстановления роста, или 3) только 67 штаммов. Примечательно, что A. thaliana растения дикого типа, колонизированные сообществом из 67 членов, инвестировали в рост при слабом освещении, тогда как растения, колонизированные сообществом, не имеющим этих бактериальных штаммов, этого не сделали, вместо этого способствуя лучшей устойчивости к заражению листьев патогенами.
По словам руководителя исследования Стефана Хаккарда: «Наши результаты показывают, что рост растений и защитные реакции участвуют в различных петлях обратной связи с корневой микробиотой в зависимости от условий освещения над землей. Вероятно, что вызванное светом изменение профилей экссудации корней является важным механизмом, который стимулирует рост определенных полезных бактериальных комменсалов корней, которые ускоряют рост растений, за счет защитных реакций при слабом освещении."Наблюдение за существованием цепей микробиота-корень-побеги у растений напоминает недавние результаты, полученные в контексте оси микробиота-кишечник-мозг у животных, где была обнаружена прямая связь между кишечными комменсалами и функциями мозга.
Результаты показывают, что бактериальные корневые и кишечные комменсалы выполняют важные функции по модуляции стрессовых реакций не только локально, но и в отдаленных органах хозяина.
Эти результаты имеют важное применение для использования подземных микробов для стимулирования наземных стрессовых реакций у растений.
Применяя знания, полученные в этом исследовании, теперь можно было бы разработать синтетические микробные сообщества с модульными функциями, которые можно было бы использовать для повышения устойчивости растений к определенным биотическим или абиотическим стрессам и, в конечном итоге, для улучшения здоровья растений в природе.