Растения удивительным образом избегают конкуренции с почвенными микробами

Фото из открытых источников

Растения извлекают из почвы все необходимое, и одним из главных элементов является азот. В плодородной грядке его предостаточно. Но высоко в холодных горах его запасы истощаются. Можно было бы ожидать, что корни и окружающие их микробы будут бороться за каждый кусочек. Однако исследовательская группа, отправившись на горную пустошь, обнаружила прямо противоположное. Результаты исследования опубликованы в журнале Soil Biology and Biochemistry.

Азот питает практически все, что растет, от мельчайших микробов до самых выносливых горных кустарников, и в холодных, разреженных почвах его всегда недостаточно. Этот дефицит десятилетиями ставил ученых в тупик.

Эллен Фрай из Манчестерского университета возглавила группу исследователей, отправившихся в альпийскую пустошь — низкий, обдуваемый ветром растительный покров, цепляющийся за возвышенности, — чтобы понаблюдать за ходом соревнований. Они внесли в почву отслеживаемый азот и провели мониторинг.

Секрет заключался в более тяжелой, чем обычно, форме азота, достаточно редкой, чтобы ее можно было обнаружить при лабораторных измерениях. Где бы она ни появилась позже — в листе, корне, скоплении микробов — команда знала, кто ее захватил.

Результаты анализа меченого азота показали четкое разделение. Растения и почвенные микроорганизмы охотились за совершенно разными формами азота – каждый из них выбирал другую химическую форму.

Растениям больше подходили простые вещества – аммоний и нитраты, неорганические формы, продающиеся в виде садовых удобрений. После поглощения азот перемещался из корней в побеги, накапливаясь там в течение последующих недель.

Микробы, напротив, отдавали предпочтение более сложным органическим молекулам, особенно аминокислотам — строительным блокам белков. Эти предпочтения перекликаются с тем, на что намекало более раннее исследование, хотя лишь немногие команды наблюдали проявление этого различия в реальных условиях горной местности.

Здесь исследование вышло на новый уровень. Ученые давно задавались вопросом, могут ли растения обходить посредников и извлекать целые органические молекулы непосредственно из почвы, питаясь аминокислотами так же, как это делают микробы.

В этой альпийской пустоши этого в основном не происходило. Команда обнаружила мало признаков того, что растения сами захватывали крупные органические молекулы. Вместо этого, по-видимому, микробы сначала расщепляют эти молекулы, высвобождая более простой азот, который затем поглощают растения. Такой порядок многое говорит о том, как работает система, хотя команда старается не преувеличивать.

В этой системе ничто не оставалось неподвижным. Азот, поглощаемый растением, не задерживался в корнях – он быстро перемещался по тканям, поднимаясь в побеги в течение нескольких дней после поглощения.

Микроорганизмы также поддерживали постоянный круговорот питательных веществ, перерабатывая органический материал и постепенно изменяя то, что оставалось для растений. Этот постоянный круговорот питательных веществ – ежедневная работа азотного цикла – определяет, какое количество питательных веществ окажется в пределах досягаемости корней.

Здесь почвенные микроорганизмы играют здесь действительно важную роль. Порой они удерживают значительную часть доступного в почве азота внутри своих клеток, высвобождая его только по мере своей гибели и распада.

Растения вели себя по-разному. Быстрорастущие, доминирующие виды – те, которые уже вытесняли своих соседей над землей – также поглощали больше всего азота из нижних слоев почвы.

Это выявляет вторую конкуренцию, накладывающуюся на первую – растения соперничают друг с другом, помимо соперничества с микробами. То, как виды борются за одно и то же питательное вещество, может влиять на то, какие из них будут процветать, что отслеживалось и в других исследованиях на лугах.

В этом есть определенный смысл. Быстрорастущему растению требуется больше сырья для построения новых листьев и стеблей, поэтому самые прожорливые растения начинают потреблять больше всего питательных веществ, и их преимущество только увеличивается.

Почвы в альпийских районах и на вересковых пустошах — суровые места, холодные и постоянно испытывающие нехватку питательных веществ. На такой бедной почве небольшое изменение в перемещении азота может привести к тому, что растения выживут, а те незаметно исчезнут.

Именно в этих местах изменение климата происходит быстрее всего, поскольку потепление воздуха ускоряет химический состав почвы.

Знание того, что растения и микроорганизмы используют разные формы азота, дает исследователям более точный способ прогнозирования того, как потепление в климате будет сохранять свою целостность или приводить к его разрушению.

«Эта работа помогает нам понять, как растительные и микробные сообщества совместно используют ограниченные ресурсы», — сказала Фрай. 

Она рассматривает эту работу как способ оценить уровень сотрудничества в условиях стресса. 

До этого исследования существовало твердое предположение, что вересковые растения питаются в основном азотом, переработанным микроорганизмами. Теперь этому есть подтверждение в полевых условиях: растения и микробы используют разные химические формы, в основном избегая взаимодействия друг с другом. Эта ясность дает экологам прочную основу для дальнейших исследований.

В моделях, прогнозирующих реакцию горных ландшафтов на потепление, теперь растения и микроорганизмы рассматриваются как партнеры с отдельными ролями, а не как соперники, борющиеся за общий ресурс.

Подобное понимание могло бы помочь разработать более щадящие методы управления бедными почвами и сохранить видовой состав, обеспечивающий устойчивость этих экосистем.