Ученые под руководством профессора Герхарда Гебауэра из Байрёйтского университета разработали новый метод, который впервые позволяет применять изотопный анализ ко всем формам симбиоза между растениями и грибами без ограничений. В принципе, в будущем с его помощью можно будет определить, какие питательные вещества и в каких количествах растение получает от партнеров-грибов. Такая информация весьма важна для понимания биоразнообразия и функционирования экосистем.
Большинство растений во всем мире живут в симбиозе с грибами. Мицелий грибов оплетает корни растений и проникает в них, образуя соединение — микоризу, через которую происходит взаимовыгодный обмен. Мы не догадываемся, сколь велика доля растений, заключающих «корневой союз» с грибами, потому что замечаем грибы лишь тогда, когда они образуют заметные плодовые тела на поверхности земли, а микроскопические нити мицелия, пронизывающие почву, нам не видны. По оценке ученых, среди современных растений не менее 90 % образуют соединения корней с грибным мицелием. Грибы дают растениям возможность поглощать воду и минеральные вещества, а сами получают углеводы, аминокислоты и фитогормоны. Считается, что самые первые наземные растения, возникшие из пресноводных водорослей и еще лишенные корней, решили проблему получения из почвы воды и соединений азота и фосфора именно при помощи микоризы. Так что без грибов растения никогда не заселили бы сушу.
Широко известно, что растения производят необходимый им углерод посредством фотосинтеза, и поэтому их называют автотрофными. Однако во многих случаях растения питаются односторонне за счет грибов. Такие растения гетеротрофны: они используют микоризу для извлечения углерода из своих грибных партнеров. Есть даже растения, которые таким образом удовлетворяют все свои потребности в углероде и полностью прекращают собственный фотосинтез.
В течение многих лет в исследованиях переноса веществ от грибов к растениям использовался тот факт, что углерод, вырабатываемый самими растениями, имеет изотопный профиль, отличный от профиля углерода, присутствующего в грибах-партнерах. То есть изотопы углерода (атомы, отличающиеся только числом нейтронов в ядре) встречаются в грибах в другом соотношении, чем в углероде, который растения производят в ходе собственного фотосинтеза. Таким образом, изотопный анализ углерода, хранящегося в растениях, позволяет сделать выводы о количестве углерода, поступающего от грибов. Однако эти расчеты возможны только в том случае, если известны два эталонных значения: изотопный профиль углерода в автотрофных растениях и изотопный профиль углерода в грибах-партнерах. Между двумя эталонными значениями находится изотопный профиль углерода у гетеротрофных растений, которые извлекают часть необходимого углерода из грибов.
Однако до сих пор исследования сталкивались со значительными ограничениями: грибы-партнеры должны были формировать свои собственные плодовые тела и хранить в них свой углерод. Только при этом условии углерод грибов был доступен в количествах, необходимых для изотопного анализа. Однако лишь около десяти процентов грибов, живущих в симбиозе с растениями, образуют плодовые тела. Следовательно, обычно отсутствует одно из двух эталонных значений, необходимых для надежного определения типа и степени гетеротрофности растения
Орхидея, образующая микоризу с грибами, и пелотоны грибов в корневых клетках орхидеи (справа). Erik Söll
Исследовательская группа из Байрёйта нашла решение этой проблемы. Ученым удалось извлечь углерод грибов из грибных нитей — так называемых гиф, — которые переплетаются с корнями растений. Таким же образом им удалось выделить грибной азот и водород. Их статья в журнале New Phytologist включает в себя множество примеров применения изотопного анализа, которые стали возможными благодаря новой методике. «Теперь широко открыты двери для экосистемных исследований симбиотических отношений между растениями и грибами», — говорит профессор доктор Герхард Гебауэр.
Исследования были сосредоточены на грибах без плодовых тел, которые живут в арбускулярной микоризе с небольшими безлистными растениями, неспособными к фотосинтезу и, следовательно, полностью гетеротрофными. Коллеги из Японии и Австралии предоставили ученым из Байрёйта образцы растений, и исследователи смогли отделить клеточные нити (гифы) грибов от корневой сети растений и подготовить их для изотопного анализа, который впервые показал изотопное содержание грибов-партнеров арбускулярной микоризы с полностью гетеротрофными растениями.
Еще одним направлением исследования стали изотопные профили орхидей из северо-восточной Баварии и Гавайских островов, которые также образуют микоризу с грибами, не дающими плодовых тел. Из корневых клеток орхидей были выделены пелотоны грибов — это небольшие шаровидные скопления гиф. Предварительный изотопный анализ показывает, что выбранные орхидеи также извлекают значительную часть необходимого им азота и других питательных веществ из грибов. Полученные результаты стали темой отдельной публикации в том же журнале New Phytologist.