Растения впитывают воду и минералы при помощи корневой системы, которая значительно обширнее, чем надземные части растений. Ученые с удовольствием узнают новое о корнях, но большая часть информации остается спрятанной под землей.
«В почве предстоит раскрыть еще много нового, и нам еще неизвестно, что именно», - рассказывает биолог-теоретик Лионель Дюпуй из Института имени Джеймса Хаттона в Данди, Шотландия.
Два года ушло на пробы и ошибки, а именно тщательный подбор кислотности, размеров крупинок и содержания питательных веществ в целом ряде искусственных материалов, подобных почве и увлажняемых специальными жидкими растворами. В результате Дюпуй и его коллеги смогли разработать прозрачную почву, в которой можно выращивать растения. Материал дает возможность создать трехмерное изображение ризосферы – зоны почвы, где развиваются корни растения и связанные с ними организмы.
Почва сделана из гранул размером 350-1600 микрон из синтетического материала, известного как нафион. Благодаря свой способности контролировать поток токопроводящих ионов это вещество часто находит применение в энергетических топливных элементах. Прошлые исследование выявили, что материал имеет еще одно уникальное свойство: на мембранах из нафиона могут развиваться слои бактерий. Кроме того, ученые научились изменять крупинки нафиона таким образом, чтобы связывать ионы, находящиеся в окружающем жидком растворе, имитируя химию естественной почвы.
Искусственная почва сама по себе непрозрачна. Но когда она насыщается специальным раствором на основе воды, то полученная смесь химических веществ, взаимодействуя друг с другом, начинает преломлять свет, обеспечивая прозрачность. Похожий эффект можно наблюдать, опустив один чистый стеклянный сосуд в другой чистый стеклянный сосуд и наполнив меньшую емкость и пространство между сосудами растворителем для краски. В результате будет казаться, что меньшая емкость исчезла.
Хотя этот материал и не идеально имитирует настоящую почву, его физические и химические свойства достаточно близки. Независимые ученые уверены, что исследование представляет собой огромный прогресс. Это абсолютно новый способ реалистично взглянуть на корни, который раскрывает возможности для изучения физиологии растений и методов их выращивания, а также для исследования взаимодействия между растениями и микробами.
Дюпуй и его коллеги использовали прозрачную почву, чтобы проанализировать, насколько потенциально смертельной является кишечная палочка во взаимодействии с корнями салата-латука. Хотя кишечная палочка представляет собой полезный микроб в нашем кишечнике, который борется с вредными бактериями и может даже производить необходимые витамины, опасные разновидности могут вызывать серьезные пищевые отравления. Исследователи использовали генетически модифицированный вариант кишечной палочки с зеленым флуоресцентным белком медуз, чтобы наблюдать, как она ведет себя во взаимодействии с салатом. Они обнаружили, что бактерии формируют микро-колонии в корневой зоне, что, очевидно, помогает им выжить вне кишечника.
«Если нам удастся выяснить пути загрязнения, то мы сможем разработать стратегии и ограничить попадание кишечной палочки в пищевую цепь, - отмечает Дюпуй. – Мы в действительности не понимаем, как кишечная палочка входит в пищевую цепь, особенно в свежие продукты».
Материал может использоваться для изучения распространения и передачи других инфекций через почву. Например, черви нематоды передают вирусы в урожаи, а с помощью прозрачной почвы можно изучить их пищевые особенности.
Изобретение может также помочь проанализировать корни различных растений с целью выращивания культур с более эффективными корневыми системами, позволяя, соответственно, уменьшить потребление воды и удобрений. Особенности корней часто не учитываются в программах выращивания растений, так как в условиях почвы очень сложно изучать производительность корневой системы. Прозрачная почва открывает новые возможности в этой сфере. Например, исследователи могут генетически изменить растения, так чтоб основные гормоны роста и другие соединения были обозначены флуоресцентными белками. Это поможет им отследить циркуляцию этих молекул в живых растения и увидеть, как ведут себя корни. В результате удастся выяснить, почему некоторые растения ведут себя лучше других в одинаковых условиях выращивания.
«Если мы хотим сделать урожаи богаче, а методы ведения сельского хозяйства эффективнее, нам нужно собрать информацию на молекулярном уровне, чтобы разработать улучшенные способы выращивания растений с подходящими корневыми системами», - говорит Дюпуй.
