Droogte is een van de grootste bedreigingen voor landbouwsystemen, wat resulteert in onvoorspelbare oogstopbrengsten, dalingen van de landbouwopbrengsten en een toename van het aantal uitbraken van ziekten. Alleen al in de Verenigde Staten heeft de droogte het land sinds de jaren tachtig $ 249 miljard gekost. Een mogelijke oplossing om de weerbaarheid van gewassen te vergroten, is het inenten van zaad met bacteriën, oftewel. plant "probiotica" waarvan bekend is dat ze de droogtetolerantie van een plant verbeteren. Hoewel wetenschappers veel microben hebben geïdentificeerd die veelbelovend zijn in het laboratorium, blijkt het repliceren van hun werkzaamheid in veldstudies in de landbouw veel moeilijker, grotendeels als gevolg van complexe omgevingsvariaties in de echte wereld.

Nieuw onderzoek onder leiding van Rebecca Bart, Ph.D., Associate Member, Donald Danforth Plant Science Center, en haar collega's gingen de uitdaging aan om de kloof te overbruggen tussen laboratorium- en veldstudies met betrekking tot gewas-microbiële interacties en hun invloed op droogtetolerantie. Hun werk heeft het potentieel om de aanpassing van gewassen aan droogteomstandigheden te versnellen en de bevindingen van het laboratorium voor boeren in het veld te stroomlijnen. Hun baanbrekende onderzoek is onlangs gepubliceerd in The ISME Journal en eLife .

De auteurs namen een benadering op systeemniveau om microben te identificeren die de droogterespons in sorghum beïnvloedden, werk dat zich uitstrekte over "steriele, gecontroleerde omgevingen" in het laboratorium, tot veldexperimenten boordevol complexe bodemeigenschappen, ongelijke topografie en niet-uniforme accumulatie van watervocht . Het team ontdekte dat ten minste zes microben die in het laboratorium wortelontwikkelingsdefecten veroorzaakten - waardoor de hoogte van sorghumzaailingen werd belemmerd - ook een negatieve invloed hadden op de groei van sorghum in het veld.

"De grote vooruitgang hier", zegt de corresponderende auteur Bart, "is dat we vergelijkbare patronen hebben waargenomen in een gecontroleerde omgeving en in het veld. Dat resultaat vertelt ons dat onze laboratoriumobservaties reëel en relevant zijn voor de landbouw." Opvallend was dat het onderzoeksteam ook een nieuwe microbe identificeerde die wortelgroei bevorderde, een cruciaal kenmerk om de weerbaarheid van gewassen tegen droogte te verbeteren.

Het onderzoek, dat de afgelopen vijf jaar plaatsvond, was niet zonder uitdagingen. "Omgevingsvariatie maakt de echte wereld een lawaaierige plek om wetenschap te bedrijven", schreef eerste auteur en Danforth Center Senior Data Scientist Jeffrey Berry. De auteurs moesten een model ontwikkelen om rekening te houden met verstorende biologische variabelen in veldexperimenten - factoren zoals de pH van de bodem en het fosfaatgehalte, die enorm kunnen variëren over een veldlocatie.

Door gigantische, multivariate datasets van medewerkers van verschillende instellingen te combineren, waaronder van de University of Nebraska-Lincoln, Iowa State University, Washington State University, University of North Carolina-Chapel Hill, Colorado State University en het Joint Genome Institute, was Berry in staat om gebruik geavanceerde rekenmodellen om variatie in het veld te begrijpen en te overwinnen.

Het resultaat was een uniek statistisch model dat rekening hield met bodemeigenschappen die eigenschappen in zowel gewassen als microben beïnvloedden. De auteurs konden nu hun resultaten tussen het laboratorium en het veld vergelijken zonder zich zorgen te maken over hoe variaties in de omgeving hun veldwaarnemingen zouden kunnen veranderen. "Jeff ontdekte hoe hij een paar heel ingewikkelde puzzelstukjes met elkaar kon verbinden", besloot Bart.

Naast het aanpakken van gecompliceerde statistieken en de samenwerking met wetenschappers in het hele land, was een deel van het succes van de teams dat ze toegang hadden tot de ongeëvenaarde onderzoeksinfrastructuur van het Danforth Center. De auteurs gebruikten bijvoorbeeld The Bellwether Foundation Phenotyping Facility om te visualiseren en te kwantificeren hoe droogte- en microbebehandelingen de groei en ontwikkeling van sorghum beïnvloedden als onderdeel van hun gecontroleerde laboratoriumexperimenten.

Het team begint hun methodologie te repliceren in andere gewassystemen zoals maïs, en toekomstige onderzoeksplannen voor dit werk zullen worden ondergebracht in het nieuwe Subterranean Influences on Nitrogen and Carbon (SINC) Center van het Danforth Center, mede geregisseerd door Bart en drie andere Danforth Center-leden. + Verder verkennen

Nieuw onderzoek onthult mutatie die verantwoordelijk is voor ziekteresistentie in cassave