Грибы держат пищевую сеть вместе: учёные впервые визуализировали подземную сеть

Новое исследование с использованием синхротронной томографии показало, как микоризные гифы движутся в естественной почве.

Более 80% растений на Земле вступают в симбиоз с микоризными грибами, чтобы извлекать питательные вещества из почвы. Под землёй, в зоне почвы, известной как ризосфера, эти грибы разрастаются в обширные сети трубчатых клеток, называемых мицелием (отдельные клетки называются гифами). Эти крошечные гифы — толщиной примерно от одной десятой до одной сотой ширины человеческого волоса — могут собирать питательные вещества в почве и отправлять их в растения.

Некоторые исследователи оценивают, что количество мицелия в верхних 10 сантиметрах почвы на Земле составляет около 450 квадриллионов километров в длину — или примерно половину ширины нашей галактики. Если растения не получают достаточно питательных веществ, то и животные, которые зависят от них, или животные, которые зависят от этих животных, тоже не получают их. Более того, некоторые исследования предполагают, что микоризные грибы поглощают эквивалент 13 миллиардов тонн углекислого газа ежегодно. Всё это делает ризосферу essential для здоровья нашей планеты и её обитателей.

«По сути, каждый на Земле зависит от этой очень, очень крошечной зоны вокруг корней, в некотором смысле», — сказал Анри Браунмиллер, почвенный эколог и аспирант Мюнхенского технического университета. Опять же, гифы крошечные: один грамм почвы может содержать до 90 метров мицелия. Большую часть времени для их визуализации требуется извлечение из почвы, что означает, что у учёных нет 3D-изображения того, как выглядят взаимосвязанные сети корней, гифов и грибковых спор. Но в новом исследовании, опубликованном в New Phytologist, Браунмиллер и его коллеги сообщают о способе изучения этой сети в её естественной среде впервые с использованием техники, называемой синхротронной компьютерной томографией (КТ).

Джастин Стюарт, эколог из Общества защиты подземных сетей и Амстердамского свободного университета, сказал Eos в электронном письме, что возможность изучать грибковые гифы в intact почвах с более высоким разрешением представляет собой «крупный прорыв». «Это делает возможным изучение границы между живыми грибковыми сетями и минеральной почвенной матрицей и открывает новые пути для изучения того, как углерод грибкового происхождения передаётся почвенным минералам», — сказал он.

Проливая немного света

Исследователи могут изучать микоризные сети, когда они формируются в чашке Петри или в почвенных чипах — кремниевых пластинах, предназначенных для имитации структуры почвы. Но информация, которую учёные получают из этих методов, ограничена, потому что многие аспекты ризосферы не воспроизводятся в этих средах. Вот где вступает в игру КТ — та же технология, используемая в медицинских сканированиях. Однако типичная лабораторная КТ, особенно высокого разрешения, может сканировать образец часами. За эти часы грибы двигаются и растут, размывая изображение. Поэтому команда обратилась к синхротрону — специализированному ускорителю частиц, способному создавать чрезвычайно интенсивные пучки света.

«Синхротрон производит в миллион раз больше энергии, чем ваша лабораторная КТ, — сказал Браунмиллер. — Так что вы не хотите стоять на пути пучка. Но зато вы можете сделать те же изображения за пару минут». Браунмиллер и его команда начали выращивать томатные растения как в суглинистой, так и в песчаной почве, содержащей грибковые споры, гифы и колонизированные фрагменты корней. Затем они добавили в горшки небольшие цилиндры почвы, около 12 миллиметров в поперечнике и 60 миллиметров высотой. Цилиндры служили корзинами, покрытыми отверстиями, достаточно большими — 2 на 4 миллиметра — чтобы и гифы, и корни растений могли прорасти внутрь. При извлечении после примерно 8 недель роста томатов цилиндры содержали поперечное сечение различных элементов ризосферы.

Команда перевезла образцы на 9 часов из Мюнхена в SOLEIL near Парижа — одну из очень крупных исследовательских инфраструктур Франции и дом для одного из немногих существующих синхротронов. Было уже за полночь, когда исследователи начали сканировать образцы. Когда команда просмотрела изображения последовательно, они увидели крошечные белые точки, движущиеся по изображению. Это были гифы. «Это было так захватывающе, потому что никто не ожидал, что мы сможем их увидеть, потому что они такие крошечные, — сказал Браунмиллер. — Они прямо на грани разрешения».

Понимание инструмента

Складывая изображения, собранные с помощью КТ, Браунмиллер и его команда смогли впервые реконструировать 3D-изображения полной ризосферы в её естественной среде. Затем исследователи расширили свои визуализации. Например, добавление цветов позволило им провести анализ изображений объёма и площади поверхности гифальной сети. Визуализация этих сетей важна из-за crucial роли, которую ризосфера играет в здоровье растений, продовольственных системах и углеродном цикле.

Команда надеется, что их findings могут быть особенно полезны для помощи растениям в получении достаточного количества воды во время засухи, особенно поскольку засухи усиливаются в условиях изменения климата. Микоризные грибы могут помогать растениям в поглощении питательных веществ и устойчивости к патогенам, поэтому стратегическое использование этих сетей может помочь улучшить стабильность урожая и снизить зависимость от гербицидов и фунгицидов. Эти сети — «это инструмент, но вы также должны понимать инструмент», — сказал Браунмиллер, объясняя, что эти сети более полезны в одних условиях, чем в других, и исследователи не полностью понимают почему. «Мы также рассмотрим, как эти сети работают в разных типах почв, чтобы мы могли давать рекомендации о том, когда их использовать, а когда, возможно, нет».

Открытие, сделанное с помощью синхротронной томографии, — это не просто техническое достижение. Это шаг к пониманию одной из самых важных и наименее изученных экосистем на Земле. Ризосфера — зона почвы вокруг корней растений — является домом для миллиардов микроорганизмов, включая бактерии, грибы, простейших и нематод. Эти организмы взаимодействуют друг с другом и с растениями, образуя сложную сеть, которая влияет на всё: от роста растений до глобального климата.

«Мы только начинаем понимать, насколько важна эта подземная сеть, — говорит миколог из Калифорнийского университета в Беркли. — Микоризные грибы не просто помогают растениям поглощать питательные вещества. Они также участвуют в круговороте углерода, азота и фосфора, влияют на структуру почвы и даже на состав атмосферы. Это ключевой компонент биосферы».

Одним из наиболее перспективных направлений применения этих знаний является сельское хозяйство. Микоризные грибы могут повысить урожайность, снизить потребность в удобрениях и пестицидах, а также сделать растения более устойчивыми к засухе и болезням. Однако, как отмечает Браунмиллер, эти сети не являются универсальным решением. «В некоторых почвах они помогают, в других — нет, — говорит он. — Мы должны понять, почему, прежде чем давать рекомендации фермерам».

Другим важным аспектом является сохранение подземных экосистем. Деятельность человека — распашка земель, использование химикатов, вырубка лесов — разрушает микоризные сети, что может иметь долгосрочные последствия для плодородия почв и климата. «Мы не можем видеть эти сети невооружённым глазом, но они повсюду, — говорит Стюарт. — И они уязвимы. Мы должны защищать их так же, как мы защищаем леса и океаны».

Исследование Браунмиллера и его команды — это только начало. Учёные планируют использовать синхротронную томографию для изучения микоризных сетей в разных типах почв, в разных климатических зонах и в разных экосистемах. Они также надеются разработать более доступные методы визуализации, чтобы больше лабораторий могли изучать эти сети.

«Мы находимся в начале пути, — говорит Браунмиллер. — Но я уверен, что через десять лет мы будем знать о подземных сетях гораздо больше, чем сейчас. И это знание поможет нам сохранить здоровье нашей планеты».

Источники: Eos, New Phytologist, SOLEIL, Мюнхенский технический университет, Общество защиты подземных сетей, Амстердамский свободный университет, Wikimedia Commons, заявления Анри Браунмиллера, Джастина Стюарта и других учёных.