Грибы с более широким спектром питания лучше уничтожают вредителей растений

Фото из открытых источников

В природе умение хорошо делать что-то одно обычно означает неумение делать что-то другое. Ученые называют такие компромиссы уступками, и они встречаются практически везде, где проводят исследования биологи. Некоторые виды грибов, похоже, игнорируют это правило. Один из них способен охотиться на насекомых, разлагать растительную материю в почве и с удовольствием вживаться в живые корни.

Подобная многогранность долгое время ставила ученых в тупик. Новое исследование указывает на единственную причину этого явления. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Этот ответ может изменить методы борьбы фермеров с вредителями. Он также затрагивает более глубокий вопрос о том, как жизнь изобретает новые роли. 

Некоторые почвенные грибы ведут поистине странный образ жизни. В один день гриб может быть смертельно опасным патогеном для насекомых, в другой — разлагателем органических веществ, а в третьих — партнером, передающим захваченный азот непосредственно корням растений.

Последний трюк довольно странный. Грибок убивает насекомое, извлекает азот из его тушки, а затем передает его растению в обмен на сахара. В почве тот же гриб выполняет функцию переработчика отходов. Он питается отмершими органическими веществами и высвобождает питательные вещества для других живых организмов.

Посмотрите на одну охоту, и она покажется вам фильмом ужасов. Споры оседают на насекомом, прогрызают его панцирь и пожирают его изнутри. 

Долгие годы исследователи задавались вопросом, как один вид животных может выполнять настолько разные задачи. Убийство насекомого и уход за растением кажутся совершенно противоположными навыками.

Группа исследователей из Университета Мэриленда (UMD) отправилась на поиски компромиссного решения, которое, как они предполагали, было скрыто в биологических процессах.

Исследователи предполагали, что гриб, который лучше сближается с растениями, потеряет часть своей губительной силы. В конце концов, специалисты обычно платят за свою специализацию. Существо, созданное для того, чтобы хорошо делать одно дело, как правило, неуклюже справляется с остальным. Данные говорили об обратном. Оба таланта взлетели и упали одновременно, и оба были связаны с одной скрытой чертой характера.

«Мы ожидали увидеть компромисс — что, становясь лучшим партнером для растений, мы будем жертвовать эффективностью в уничтожении вредителей, или наоборот», — сказал профессор Рэймонд Сент-Леджер из Мэрилендского университета. «Вместо этого, эти две способности возникают и исчезают одновременно, и их связывает лежащая в основе гриба гибкость в плане питания».

В основе исследования исследователя лежал гриб Metarhizium robertsii. Фермеры по всему миру уже используют этот гриб для борьбы с насекомыми-вредителями, а сейчас лаборатории тестируют его как средство для ускорения роста сельскохозяйственных культур. Благодаря практическому опыту этот сорт стал идеальным объектом исследования. Он распространен, хорошо изучен и его легко сравнивать между поколениями.

В сотрудничестве с Хуэйю Шэном Сент-Леджер сравнил восемь штаммов из разных частей эволюционного древа вида. Анализ основывался как на геномах грибов, так и на поведении. 

Геномные данные позволили отнести каждый штамм к генеалогическому древу. Эта карта показала, как два образа жизни разошлись за миллионы лет. Они отслеживали, как быстро каждый штамм уничтожал насекомых и насколько хорошо он приживался в корнях. Также они измеряли силу токсина и рост на 95 различных источниках пищи.

Различия четко разделились на два лагеря. Разрыв прослеживается с момента первого ответвления каждой из линий, некоторые из которых произошли более шести миллионов лет назад. Более древние линии вели себя как спящие организмы. Они убивают медленно, но направляют ресурсы на размножение внутри хозяина и производство миллионов спор.

Эти споры — игра в ожидание. Они остаются на месте, пока другое насекомое не подойдет слишком близко. Более молодые линии представляли собой вьющиеся растения. Они быстро прорастают как по коже насекомых, так и по корням растений, быстро убивают и часто выделяют парализующие токсины.

Ползучие насекомые почти не обращают внимания на споры. Вместо этого они размножаются в виде тонких нитей, которые тянутся от мертвого насекомого к расположенным рядом корням.

Обе эти стратегии, несомненно, работают. Каждая из них существует уже миллионы лет, оставаясь актуальной по-своему. Одна характеристика разделила две группы наиболее резко. Исследователи называют это метаболической широтой — диапазоном питательных веществ, которые штамм может фактически потреблять. Грибы, питавшиеся более широким спектром сахаров, аминокислот и органических кислот, просто чувствовали себя лучше. Они легче заражали насекомых и без особых проблем проникали в корни.

«Вместо того чтобы заставлять грибы выбирать между уничтожением насекомых и взаимодействием с растениями, эволюция, по-видимому, отдала предпочтение штаммам, которые просто лучше используют любые доступные им ресурсы», — сказал Сент-Леджер. «Их универсальность начинается с метаболизма».

Полученные данные позволяют рассматривать этих насекомых-убийц как организмы с широкими возможностями. Их умение как атаковать насекомых, так и помогать растениям обусловлено общим набором питательных веществ.

Ученые называют такие штаммы экологически компетентными. Это название отражает то, как один и тот же метаболизм может поддерживать совершенно разные образы жизни. Тот же механизм, который переваривает насекомое, помогает расщеплять то, что поступает из корня. Один набор инструментов служит для решения множества различных задач.

Эта работа также предоставляет биологам надежную модель для гораздо более масштабного вопроса. Как микробы эволюционируют, обретая свободу переключаться между столь разными способами жизни?

Полученные результаты имеют реальное значение для сельского хозяйства. Фермеры вскоре смогут подбирать конкретные штаммы грибов для достижения конкретных целей. Широко распространенные штаммы способны быстро уничтожать вредителей. Одновременно с этим они колонизируют корни и способствуют росту сельскохозяйственных культур в поле.

Штаммы с большим количеством спор подходят для других целей. Их устойчивость делает их более подходящими для медленного, долговременного контроля вредителей. Привлекательность заключается не только в удобстве. Грибковые препараты позволяют сократить использование химических спреев, которые повреждают почву и воду.

«Полученные нами знания могут помочь производителям более эффективно использовать грибковые патогены», — сказал Сент-Леджер.

Правильный выбор сорта для конкретной задачи может значительно повысить надежность этих инструментов. Именно такая точность вдохновляет команду. Во всем этом скрыт важный урок. Оказывается, гибкий подход к делу может открыть двери, недоступные узкоспециализированным специалистам.