Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Torka är ett av de största hoten mot jordbrukssystemen, vilket resulterar i oförutsägbara skördar, minskade jordbruksintäkter och en ökning av sjukdomsutbrott. Bara i USA har torkan kostat nationen 249 miljarder dollar sedan 1980-talet. En potentiell lösning för att förbättra grödans motståndskraft är inokulering av frö med bakterier, aka. växt "probiotika" som är kända för att förbättra en växts torktolerans. Medan forskare har identifierat många mikrober som visar lovande i labbet, är det mycket svårare att replikera deras effektivitet i jordbruksfältstudier, till stor del på grund av komplexa miljövariationer i den verkliga världen.
Ny forskning ledd av Rebecca Bart, Ph.D., associerad medlem, Donald Danforth Plant Science Center, och hennes kollegor tog sig an utmaningen att överbrygga klyftan mellan laboratorie- och fältstudier relaterade till interaktioner mellan grödor och mikrobiella och deras inflytande på torktolerans. Deras arbete har potential att påskynda grödans anpassning till torka och effektivisera resultat från labbet för jordbrukare på fältet. Deras avgörande forskning publicerades nyligen i The ISME Journal och eLife .
Författarna använde ett tillvägagångssätt på systemnivå för att identifiera mikrober som påverkade torkresponsen i sorghum, arbete som sträckte sig över "sterila, kontrollerade miljöer" i labbet, till fältexperiment fulla av komplexa jordegenskaper, ojämn topografi och ojämn ackumulering av vattenfukt . Teamet fann att minst sex mikrober som orsakade rotutvecklingsdefekter i labbet – hämmande höjden på sorghumplantor – också påverkade sorghumtillväxten i fältet negativt.
"Det stora framstegen här," sade motsvarande författare Bart, "är att vi observerade liknande mönster i en kontrollerad miljö och på fältet. Det resultatet säger oss att våra labbobservationer är verkliga och relevanta för jordbruket." Påfallande nog identifierade forskargruppen också en ny mikrob som främjade rottillväxt, en kritisk egenskap för att förbättra grödans motståndskraft mot torka.
Forskningen, som ägt rum under de senaste fem åren, var inte utan sina egna utmaningar. "Miljövariation gör den verkliga världen till en bullrig plats att bedriva vetenskap på", skrev första författaren och Danforth Center Senior Data Scientist Jeffrey Berry. Författarna behövde utveckla en modell för att ta hänsyn till förvirrande biologiska variabler i fältexperiment - faktorer som markens pH och fosfatinnehåll, som kan variera kraftigt över en fältplats.
Genom att kombinera gigantiska, multivariata datamängder från samarbetspartners från flera institutioner, inklusive vid University of Nebraska-Lincoln, Iowa State University, Washington State University, University of North Carolina-Chapel Hill, Colorado State University och Joint Genome Institute, kunde Berry använda sofistikerade beräkningsmodeller för att förstå och övervinna variationer inom området.
Resultatet blev en första statistisk modell i sitt slag som redogjorde för markegenskaper som påverkade egenskaper hos både grödor och mikrober. Författarna kunde nu jämföra sina resultat mellan lab och fält utan att oroa sig för hur miljövariationer kan förändra deras fältobservationer. "Jeff kom på hur man kopplar ihop några riktigt komplicerade pusselbitar", avslutade Bart.
Förutom att ta itu med komplicerad statistik och samarbeta med forskare över hela landet, var en del av teamens framgång att ha tillgång till Danforth Centers oöverträffade forskningsinfrastruktur. Till exempel använde författarna The Bellwether Foundation Phenotyping Facility för att visualisera och kvantifiera hur torka och mikrobbehandlingar påverkade sorghums tillväxt och utveckling som en del av deras kontrollerade laboratorieexperiment.
Teamet börjar replikera sin metodik i andra grödesystem som majs, och framtida forskningsplaner för detta arbete kommer att inrymmas från Danforth Centers nya Subterranean Influences on Nitrogen and Carbon (SINC) Center, som leds av Bart och tre andra Medlemmar i Danforth Center. + Utforska vidare
