Пробіотики для рослин? Ось як оптимізовані штучним інтелектом бактерії можуть прискорити розвиток сільського господарства

Населення планети стрімко зростає. Темпи, звичайно, сповільнюються, але експерти прогнозують, що до 2050 року на Землі буде жити на два мільярди більше людей. Це еквівалентно додаванню ще півтори Індії, що зробить загальну чисельність населення планети близько 9,7 мільярда людей. Це багато ротів, які треба годувати, і одне величезне завдання – особливо враховуючи нашу неспроможність зробити це зараз.

Експерти прогнозують, що до 2050 року на Землі житиме на два мільярди більше людей.

Якщо ми хочемо прогодувати всіх цих зайвих людей, нам знадобляться не просто великі ідеї. Нам знадобиться ще й купа мікроскопічних мікробів.

Саме таку ставку робить біотехнологічний стартап під назвою Indigo Agriculture, який планує накачувати рослини купою корисних мікробів, щоб змусити культури рости швидше, сильніше і продуктивніше. Це, звісно, довготривалий процес, але він може надати фермерам доступ до культур, які не лише краще ростуть в нинішніх кліматичних умовах, а й краще підготовлені до наслідків зміни клімату в усьому світі.

Мікроби, мікроби всюди

У будь-який момент ви сидите в морі трильйонів мікробів, які живуть на вас, в вас і навколо вас. Хоча вони невидимі неозброєним оком, вони далеко не інертні. Дедалі більше досліджень показують, що мікроби впливають на широкий спектр факторів, в тому числі на наш настрій, здоров’я і навіть на нашу здатність справлятися зі стресом і протистояти хворобам.

Але наш мікробіом знаходиться під загрозою дестабілізації. З тих пір, як ми почали ковтати антибіотики, бактеріальне середовище в нашому організмі змінилося. Антибіотики чудово працюють для усунення шкідливих бактерій, але їх невибіркова природа означає, що вони також знищують багато корисних бактерій.

Сільське господарство індиго

“Наші мікроби еволюціонували разом з нами, підвищуючи нашу здатність підтримувати оптимальний рівень здоров’я і боротися з хворобами”, – розповідає Digital Trends Лорен Мурс, віце-президент зі стратегії даних і наук про дані в Indigo. “Масове прийняття антибіотиків вплинуло на ці корисні мікроби. Тому ми почали вживати живі і активні культури – пробіотики – щоб заселити наш кишечник хорошими бактеріями”.

Багато в чому те ж саме стосується і рослин. Широке використання сільськогосподарських хімікатів і фунгіцидів порушило складний мікробіом рослин, який розвивався протягом мільйонів років. Ці хімікати вбивають бактерії, що викликають хвороби, але вони також усувають спеціалізовані мікроби, які можуть допомогти рослині краще протистояти стресам, таким як посуха, або рости більш продуктивно, вловлюючи життєво важливі поживні речовини, такі як азот.

Наука про індиго

Засновники Indigo вирішили, що якщо мікробіом людини має такий великий вплив на здоров’я людини, то чи не повинен мікробіом рослини також бути ключовим для її виживання? І якщо так, то як визначити, які саме мікроби є корисними і з якою метою? І як ми можемо відновити ці процвітаючі спільноти бактерій у наших культурах?

Мікроскопи про мікробіом

Більшість досліджень, проведених на тему мікробного життя, були зосереджені на тих, які найбільш тісно пов’язані з людиною – наприклад, на тих, що знаходяться на нашій шкірі і в нашому кишечнику. І хоча було проведено чимало досліджень мікробів, знайдених на інших тваринах, рослинним мікробам (і ролі, яку вони відіграють) донедавна приділяли відносно мало уваги.

“Наші мікроби еволюціонували разом з нами, підвищуючи нашу здатність підтримувати оптимальний рівень здоров’я і боротися з хворобами”.

“За останні п’ять років з’явилося багато робіт, які є продовженням того, що ми дізналися про мікробіом в інших [біологічних] системах”, – говорить Харш Баїс, вчений з рослин і ґрунту з Університету Делавера. “Але все функціональне значення асоціації мікробіома в рослинах все ще не повністю розкрито з точки зору детальних механізмів того, чому вони потрібні рослині”.

Протягом десятиліть дослідники знали, що бактерії на рослинах і в ґрунті допомагають “фіксувати” азот, дозволяючи рослинам отримати кращий доступ до цієї ключової поживної речовини. Але в 2015 році Шерон Доті, мікробіолог рослин з Вашингтонського університету, показала, що цілі спільноти корисних бактерій існують всередині рослин і дозволяють таким видам, як тополя і верба, рости високими і сильними в кам’янистих і бідних на інші поживні речовини умовах. У своєму дослідженні Доті навіть змогла перенести ці азотфіксуючі мікроби на іншу рослину – в даному випадку на рис – що дозволило культурі вирости вищою і з більш повною кореневою системою.

Сільське господарство індиго

“Так само, як мікробіом людини важливий для нашого здоров’я, так само мікробіом рослин необхідний для здоров’я рослин, але, можливо, навіть більше”, – написала Доті у своїй книзі “Функціональна важливість ендофітного мікробіому рослин”. “Оскільки рослини не можуть рухатися, вони стикаються з більшими труднощами в отриманні достатньої кількості поживних речовин з даної ділянки, захисті від травоїдних тварин і патогенних мікроорганізмів, а також в перенесенні абіотичних стресів, включаючи посуху, засоленість і забруднюючі речовини. Рослинний мікробіом може допомогти рослинам подолати ці виклики”.

Спираючись на ці знання, співробітники Indigo секвенували гени десятків тисяч рослинних мікробів: це найбільша база даних рослинних мікробів, яка існує на сьогоднішній день. Маючи ці дані, вони використовують алгоритми машинного навчання для прогнозування мікробних штамів, які мають найбільший вплив на такі важливі культури, як бавовна, кукурудза, рис і пшениця. Є надія, що Indigo може відновити – і навіть покращити – мікробне середовище, щоб допомогти цим культурам краще працювати в полі.

“Реальний вплив буде отримано від поєднання цього інструменту з іншими технологіями, які ми маємо, які швидко розвиваються в галузі селекції рослин”.

“В цілому, за допомогою машинного навчання ми можемо точно ідентифікувати мікроби, визначити їх функціональні можливості, зрозуміти, в яких спільнотах вони живуть, і об’єднати цю інформацію з лабораторними та польовими даними для швидкої розробки та цільового використання нових мікробних продуктів”, – сказав Мурс.

Зрештою, Indigo забезпечує мікробне покриття, яке наноситься на насіння перед тим, як воно буде висаджене в землю. І хоча є й інші

Підхід Indigo демонструє величезний потенціал для сільського господарства, і в результаті раундів фінансування було залучено понад 400 мільйонів доларів США. Але за дослідженнями компанії стоїть багато знаків питання. Indigo, можливо, зможе визначити, які мікроби присутні в рослинах, і вони навіть зможуть вибрати, які з них є корисними, але визначення їх ролі та найбільш ефективних комбінацій виявиться складним завданням. Одна справа знати, які бактерії присутні, і зовсім інша – знати, що вони роблять і чому.

Зі свого боку, Баїс залишається обережним, але заінтригованим. “Існує багато відкритих питань без відповідей, про які ми не маємо жодного уявлення”, – каже він. Не те, що на ці питання не можна відповісти, але для цього знадобиться багато спроб і помилок. Як пояснює Баїс, вченим доведеться “взяти жука, взяти рослину і подивитися, що бактерії роблять з цією рослиною. Потім взяти того ж ж жука і взяти кілька рослин і подивитися, чи можна це перенести на кілька рослин”.

Але в міру того, як наука про мікробіом рослин прогресує, Indigo позиціонує себе як головного претендента, якщо не випереджає конкурентів.

“Наукове співтовариство все ще перебуває на ранній стадії вивчення мікробіому рослин, особливо в порівнянні з такими областями, як патологія рослин і ґрунтознавство”, – говорить Мурс. “Тим не менш, наше розуміння ролі, яку мікроби відіграють в організмі людини, спричинило революцію в охороні здоров’я. Ми вважаємо, що ми знаходимося на правильному шляху. Ми віримо, що знаходимося на передовій подібної революції в сільському господарстві. Тут перед нами відкриваються величезні можливості”.

Рекомендації редакції

• Ноїв ковчег, але для мікробів. Усередині плану створення банку бактерій судного дня
• Тести на антитіла до коронавірусу не однакові. Ось що вам потрібно знати
• Як гра-головоломка може допомогти вченим знайти ліки від коронавірусу
• Чи можуть нові фармацевтичні друзі 23andMe нарешті знайти ліки від псоріазу?
• Вчені хочуть випробувати на людях генну терапію, яка може допомогти в боротьбі із залежністю

Source: digitaltrends.com