Vissa upptäckter sker av en slump. Tänk på hur 28 september, 1928, utvikt:Alexander Fleming, tillbaka i labbet efter en semester med familjen, sorterade i smutsiga petriskålar som inte hade rengjorts innan han gick iväg. En mögel som växte på en av diskarna fångade hans uppmärksamhet – och så började historien om världens första antibiotikum:penicillin.

Nyligen, vid University of Delaware, växterna blev inte vattnade en långhelg under ett litet botanikexperiment. Det har nu lett till ett spännande fynd, speciellt för områden på jorden som drabbats hårt av torka - den amerikanska västern, Europa, Australien, delar av Afrika, Sydostasien och Sydamerika, bland dem.

Klimatforskare säger att vi bör förvänta oss mer frekventa och allvarliga torka under de kommande åren, medan befolkningsexperter förutspår en 30-procentig ökning av världens befolkning, till mer än 9 miljarder år 2050. Hur ska vi odla tillräckligt med mat för alla under sådan press, och göra det hållbart? Enligt denna UD-forskning, svaret kan ligga precis under våra fötter.

Upptäcker en torkkämpe

Tillbaka till det där UD-experimentet. Återvänder till labbet följande måndagsmorgon, postdoktorn hittade en bricka med plantor som vissnade, knasig röra, medan den andra brickan med plantor stod på uppmärksamhet. Den enda skillnaden mellan brickorna:jorden på de blomstrande exemplaren hade besprutats med Bacillus subtilis (UD1022), en bakteriestam som upptäcktes för flera år sedan vid UD av en forskargrupp ledd av professor Harsh Bais vid institutionen för växt- och markvetenskap.

Bais team fastställde att dessa mikrober, som lever på ytan av rötter och i den omgivande jorden, utlösa porliknande öppningar på bladen, kallas stomata, att stänga tätt för att hålla patogener ute och för att skydda växterna från uttorkning.

Efter att Bais -labbet publicerades om arbetet, Professor Yan Jin, en markfysiker på avdelningen, närmade sig Bais om att titta djupare för att se om mikroberna kan påverka den verkliga jorden de bor i.

"Det finns en stor lucka i vår förståelse av hur godartade mikrober kan påverka så kallat "grönt vatten" - vattnet i jorden som är tillgängligt för växter, " förklarade Jin.

Hon ville veta om UD1022 kan ändra jordens egenskaper - dess struktur, kemi, hur jordporerna är fördelade och hur deras storlek förändras — i förhållande till den gröna vattenförsörjningen. Hon ville veta exakt vad som hände i jorden och gav sig iväg för att hitta svaret.

I en artikel som nyligen publicerades i Vattenresursforskning , Jin och hennes team från UD, tillsammans med kollegor vid National Institute of Standards and Technology (NIST), bekräfta att den nyttiga mikroben UD1022 minskar avdunstning och ökar jordens förmåga att hålla vatten. Med hjälp av den senaste tekniken, studien ger detaljerade analyser av hur mikrober interagerar med jordpartiklar för att fysiskt förändra det underjordiska ekosystemet och hjälpa växter att tolerera torka.

Hur mikrober håller på vatten

Experiment gjordes i både labbet vid UD, och att använda kraftfull neutronavbildning vid NIST för att titta ner i jorden och registrera vad som hände.

I en sluten miljökammare vid UD College of Agriculture and Natural Resources, postdoktorn Wenjuan Zheng och masterstudenten Saiqi Zeng arbetade med två jordprov åt gången – ett kontrollprov och ett prov som behandlats med UD1022-mikroberna – och mätte kontinuerligt jordens vattenretentionsegenskaper och vattenavdunstningshastigheten när jorden torkades i kammaren. Experimenten gjordes för olika texturerade jordar:sand, sandig jord och lerrika jordprover, tagna från UD-gården och från en jordbruksexperimentstation i Georgetown, Delaware.

För att avgöra vad som hände i jordproverna, teamet förlitade sig på neutronradiografi-avbildningskapaciteten vid NIST.

"Neutroner kan "se" vatten, "Jin sa." Eftersom de interagerar starkt med väte, de ger en idealisk icke-destruktiv teknik för att undersöka fördelningen av vatten i känsliga material som våra jordprover som innehåller mikrober, i realtid."

"Vi kände oss väldigt lyckliga att vi hittade NIST och kunde använda deras bildbehandlingsanläggningar, " tillade Jin. "Detta samarbete var avgörande för vårt arbete."

Små kolonner packades med jord - en kolonn behandlades med UD1022-mikrober och den andra kolonnen behandlades inte. Sedan mättades kolonnerna med vatten, och neutronavbildning registrerade förångningsprocessen. Totalt 1, 500 individuella bilder togs av varje prov under cirka nio timmar. De gav en detaljerad titt på fördelningen av vatten i proverna, såväl som förångningsdynamik i realtid. Ett kraftfullt svepelektronmikroskop (SEM) hjälpte till att avslöja vad mikroberna gjorde i proverna.

Och hur hjälper dessa små organismer (UD1022) jorden att hålla fast vid vattnet?

"Denna effekt orsakas av mikrobernas förmåga att bilda ett gelatinöst nätverk, en biofilm från en komplex blandning av polysackarider, proteiner, lipid, vitaminer och sockerarter, sa Zheng, den första författaren på tidningen. Hon var postdoktor vid den tiden och är nu seniorforskare vid Institutionen för mekanik och rymdteknik vid Southern University of Science and Technology, Kina.

"Det är som om bakterierna bygger dessa små hus åt sig själva, " sa Zheng.

Biofilmen som bakterierna genererar fungerar som ett lim för att bilda "jordaggregat" som kan hålla kvar mer vatten i sina porer.

Dessa mikroorganismer och deras klibbiga matris kan mer än bära sin egen vikt. "De har visat sig hålla vatten som en svamp, absorberar 10 gånger så mycket vatten som deras torrvikt, " Zheng noterade. "Denna naturliga biofilm förändrar markens egenskaper, leder till långsammare avdunstning. Detta kan göra mer vatten tillgängligt för växter, samt öka den tid som är tillgänglig för växter att metaboliskt anpassa sig till stress från torka."

Medan stora delar av USA:s östkust har haft en vattenfylld sommar och tidig höst, andra delar av landet och många andra nationer lider av obevekliga, och i vissa fall, livshotande, torka. Jin hoppas att UD1022 kan spela en positiv roll i jordbruket i dessa uttorkade områden när den globala befolkningen kryper högre.

"Vad kan vi göra för att säkerställa livsmedelssäkerhet?" frågade Jin. "Växter kan vara genetiskt modifierade, men det tar lång tid. Många företag säljer biogödsel för att övervinna dessa problem – ibland fungerar de, men oftare gör de inte det. Det är därför mer grundforskning är avgörande för att hjälpa oss förstå mekanismerna i arbetet. Genom att förstå samspelet mellan växtrötter och markmikrobiomet – en till stor del outnyttjad underjordisk resurs – hoppas vi kunna utveckla ny teknik som kommer att öka livsmedelsproduktionen och samtidigt minska användningen av kemisk gödning.