Multiskala forskning afslører mikrober, der påvirker sorghum-tørkerespons

Tørke er en af ​​de største trusler mod landbrugssystemerne, hvilket resulterer i uforudsigelige afgrødeudbytter, fald i bedriftens indtægter og en stigning i sygdomsudbrud. Alene i USA har tørke kostet nationen 249 milliarder dollars siden 1980'erne. En potentiel løsning til at øge afgrødens modstandsdygtighed er podning af frø med bakterier, aka. plante "probiotika", der er kendt for at forbedre en plantes tørketolerance. Mens forskere har identificeret mange mikrober, der viser lovende i laboratoriet, viser det sig at kopiere deres effektivitet i landbrugsfeltstudier meget vanskeligere, hovedsageligt på grund af kompleks miljøvariation i den virkelige verden.

Ny forskning ledet af Rebecca Bart, Ph.D., Associate Member, Donald Danforth Plant Science Center, og hendes kolleger tacklede udfordringen med at bygge bro mellem laboratorie- og feltstudier relateret til afgrøde-mikrobielle interaktioner og deres indflydelse på tørketolerance. Deres arbejde har potentiale til at fremskynde afgrødetilpasning til tørkeforhold og strømline resultater fra laboratoriet for landmænd i marken. Deres skelsættende forskning blev for nylig offentliggjort i The ISME Journal og eLife .

Forfatterne tog en tilgang på systemniveau til at identificere mikrober, der påvirkede tørkerespons i sorghum, arbejde, der spændte over "sterile, kontrollerede miljøer" i laboratoriet, til felteksperimenter fyldt med komplekse jordegenskaber, ujævn topografi og uensartet akkumulering af vandfugt. . Holdet fandt ud af, at mindst seks mikrober, der forårsagede rodudviklingsdefekter i laboratoriet - hæmmede højden af ​​sorghumfrøplanter - også påvirkede sorghumvæksten i marken negativt.

"Det store fremskridt her," sagde den tilsvarende forfatter Bart, "er, at vi observerede lignende mønstre i et kontrolleret miljø og i marken. Det resultat fortæller os, at vores laboratorieobservationer er reelle og relevante for landbruget." Påfaldende nok identificerede forskerholdet også en ny mikrobe, der fremmede rodvækst, en kritisk egenskab til at forbedre afgrødens modstandsdygtighed over for tørke.

Forskningen, der fandt sted i løbet af de sidste fem år, var ikke uden sine egne udfordringer. "Miljøvariation gør den virkelige verden til et støjende sted at udføre videnskab," skrev førsteforfatter og Danforth Center Senior Data Scientist Jeffrey Berry. Forfatterne havde brug for at udvikle en model til at tage højde for forvirrende biologiske variabler i felteksperimenter - faktorer som jordens pH og fosfatindhold, som kan variere voldsomt på tværs af et feltsted.

Ved at kombinere gigantiske, multivariate datasæt fra samarbejdspartnere på tværs af flere institutioner, herunder ved University of Nebraska-Lincoln, Iowa State University, Washington State University, University of North Carolina-Chapel Hill, Colorado State University og Joint Genome Institute, var Berry i stand til at bruge sofistikerede beregningsmodeller til at forstå og overvinde variation på området.

Resultatet var en første af sin slags statistisk model, der redegjorde for jordegenskaber, der påvirkede egenskaber i både afgrøder og mikrober. Forfatterne kunne nu sammenligne deres resultater mellem laboratoriet og felten uden at bekymre sig om, hvordan miljøvariationer kunne ændre deres feltobservationer. "Jeff fandt ud af, hvordan man forbinder nogle virkelig komplicerede puslespilsbrikker," konkluderede Bart.

Ud over at tackle komplicerede statistikker og samarbejde med forskere over hele landet, var en del af holdenes succes at have adgang til Danforth Centerets enestående forskningsinfrastruktur. For eksempel brugte forfatterne The Bellwether Foundation Phenotyping Facility til at visualisere og kvantificere, hvordan tørke- og mikrobebehandlinger påvirkede sorghums vækst og udvikling som en del af deres kontrollerede laboratorieeksperimenter.

Holdet begynder at kopiere deres metodologi i andre afgrødesystemer som majs, og fremtidige forskningsplaner for dette arbejde vil blive placeret i Danforth-centrets nye Subterranean Influences on Nitrogen and Carbon (SINC) Center, co-instrueret af Bart og tre andre Danforth Center medlemmer. + Udforsk yderligere

Ny forskning afslører mutation ansvarlig for sygdomsresistens i kassava