Tørkebekæmper fundet i jord

Nogle opdagelser sker ved et uheld. Overvej hvordan 28. september, 1928, udfoldet:Alexander Fleming, tilbage i laboratoriet efter en ferie med familien, sorterede i beskidte petriskåle, der ikke var blevet renset, før han gik væk. En skimmelsvamp, der voksede på en af ​​retterne, fangede hans opmærksomhed - og så begyndte historien om verdens første antibiotikum:penicillin.

For nylig, ved University of Delaware, planterne fik ikke vandet en lang weekend under et lille botanikforsøg. Det har nu ført til et spændende fund, især for områder på kloden, der er hårdt ramt af tørke - det amerikanske vesten, Europa, Australien, dele af Afrika, Sydøstasien og Sydamerika, blandt dem.

Klimaforskere siger, at vi bør forvente hyppigere og mere alvorlige tørkeperioder i de kommende år, mens befolkningseksperter forudsiger en stigning på omkring 30 procent i verdensbefolkningen, til mere end 9 milliarder i 2050. Hvordan vil vi dyrke mad nok til alle under et sådant pres? og gøre det bæredygtigt? Ifølge denne UD-forskning, svaret ligger måske lige under vores fødder.

Opdagelse af en tørkebekæmper

Tilbage til det UD-eksperiment. Vender tilbage til laboratoriet den følgende mandag morgen, postdoc-medarbejderen fandt en bakke med frøplanter som var visnet, skævt rod, mens den anden bakke med frøplanter stod på opmærksomhed. Den eneste forskel mellem bakkerne:jorden på de blomstrende prøver var blevet sprøjtet med Bacillus subtilis (UD1022), en bakteriestamme opdaget for flere år siden på UD af et forskerhold ledet af professor Harsh Bais i Institut for Plante- og Jordbundsvidenskab.

Bais' team fastslog, at disse mikrober, som lever på overfladen af ​​rødder og i den omgivende jord, udløse porelignende åbninger på bladene, kaldet stomata, at lukke tæt for at holde patogener ude og for at beskytte planterne mod dehydrering.

Efter Bais-laboratoriets publicering om arbejdet, Professor Yan Jin, en jordfysiker i afdelingen, henvendte sig til Bais om at se dybere for at se, om mikroberne kan påvirke den faktiske jord, de bebor.

"Der er et stort hul i vores forståelse af, hvordan godartede mikrober kan påvirke såkaldt 'grønt vand' - vandet i jorden, der er tilgængeligt for planter, "forklarede Jin.

Hun ville vide, om UD1022 kan ændre jordens egenskaber - dens struktur, kemi, hvordan jordporerne er fordelt, og hvordan deres størrelser ændrer sig - i forhold til den grønne vandforsyning. Hun ville vide præcis, hvad der skete i jorden, og satte sig for at finde svaret.

I en artikel offentliggjort for nylig i Vandressourceforskning , Jin og hendes team fra UD, sammen med kolleger på National Institute of Standards and Technology (NIST), bekræfte, at den gavnlige mikrobe UD1022 reducerer fordampning og øger jordens evne til at holde på vand. Ved at bruge avancerede teknikker, undersøgelsen giver detaljerede analyser af, hvordan mikrober interagerer med jordpartikler for fysisk at ændre det underjordiske økosystem og hjælpe planterne med at tolerere tørke.

Hvordan mikrober holder på vandet

Eksperimenter blev udført i både laboratoriet på UD, og ved at bruge høj-powered neutron imaging på NIST til at kigge ned i jorden og registrere, hvad der skete.

I et lukket miljøkammer ved UD College of Agriculture and Natural Resources, postdoc-forsker Wenjuan Zheng og kandidatstuderende Saiqi Zeng arbejdede med to jordprøver ad gangen - en kontrolprøve og en prøve behandlet med UD1022-mikroberne - og målte kontinuerligt jordens vandretentionskarakteristika og vandfordampningshastigheden, mens jorden blev tørret. i kammeret. Forsøgene blev udført for forskellige teksturerede jordarter:sand, sandjord og lerrige jordprøver, taget fra UD -gården og fra en landbrugsforsøgsstation i Georgetown, Delaware.

For at bestemme, hvad der skete i jordprøverne, holdet stolede på neutronradiografi-billeddannelsesmulighederne hos NIST.

"Neutroner kan 'se' vand, " sagde Jin. "Fordi de interagerer stærkt med brint, de giver en ideel ikke-destruktiv teknik til at undersøge fordelingen af ​​vand i sarte materialer som vores jordprøver, der indeholder mikrober, i realtid."

"Vi følte os meget heldige, at vi fandt NIST og kunne bruge deres billedbehandlingsfaciliteter, " tilføjede Jin. "Dette samarbejde var afgørende for vores arbejde."

Små søjler blev pakket med jord - den ene søjle blev behandlet med UD1022 -mikroberne, og den anden kolonne blev ikke behandlet. Derefter blev søjlerne mættet med vand, og neutron-billeddannelse registrerede fordampningsprocessen. I alt 1, 500 individuelle billeder blev taget af hver prøve over en periode på omkring ni timer. De gav et detaljeret kig på fordelingen af ​​vand i prøverne, samt fordampningsdynamik i realtid. Et kraftigt scanningselektronmikroskop (SEM) hjalp med at afdække, hvad mikroberne lavede i prøverne.

Og hvordan hjælper disse små organismer (UD1022) jorden med at holde på vandet?

"Denne effekt er forårsaget af mikrobernes evne til at danne et gelatinøst netværk, en biofilm fra en kompleks blanding af polysaccharider, proteiner, lipid, vitaminer og sukkerarter, " sagde Zheng, den første forfatter på papiret. Hun var på det tidspunkt postdoc og er nu seniorforsker ved Institut for Mekanik og Luftfartsteknik ved Southern University of Science and Technology, Kina.

"Det er som om bakterierne bygger disse små huse til sig selv, " sagde Zheng.

Biofilmen, som bakterierne genererer, fungerer som en lim og danner "jordaggregater", der kan tilbageholde mere vand i deres porer.

Disse mikroorganismer og deres klæbrige matrix kan mere end bære deres egen vægt. "De har vist sig at holde vand som en svamp, absorberer 10 gange så meget vand som deres tørvægt, " Zheng bemærkede. "Denne naturlige biofilm ændrer jordens egenskaber, fører til langsommere fordampning. Dette kan gøre mere vand tilgængeligt for planter, samt øge den tid, planterne har til at metabolisk tilpasse sig stress fra tørke."

Mens store dele af den amerikanske østkyst har haft en vandfyldt sommer og tidligt efterår, andre områder af landet og mange andre nationer lider under ubarmhjertige, og i nogle tilfælde, livstruende, tørke. Jin håber, at UD1022 kan spille en positiv rolle i landbruget i disse udtørrede områder, efterhånden som den globale befolkning kryber højere.

"Hvad kan vi gøre for at sikre fødevaresikkerhed?" spurgte Jin. "Planter kan være genetisk modificerede, men det tager lang tid. Masser af virksomheder sælger biogødning for at overvinde disse problemer - nogle gange virker de, men oftere gør de ikke. Derfor er mere grundforskning afgørende for at hjælpe os med at forstå de mekanismer, der virker. Ved at forstå samspillet mellem planterødder og jordens mikrobiome - en stort set uudnyttet underjordisk ressource - håber vi at udvikle nye teknologier, der vil øge fødevareproduktionen og samtidig reducere brugen af ​​kunstgødning."