Клубеньковые бактерии помогли доннику расти в модельном марсианском грунте

Ученые проверили способность азотфиксирующих клубеньковых бактерий Sinorhizobium melioti формировать симбиоз с донником лекарственным (Melilotus officinalis) в имитации марсианского реголита. Растения успешно сформировали клубеньки с симбиотическими бактериями и продемонстрировали двукратный прирост в биомассе. Однако ожидаемого обогащения грунта азотом добиться не удалось. Статья опубликована в журнале PLoS One.

Корни бобовых растений (в том числе донника) образуют специфические клубеньки, где обитают бактерии-симбионты из семейства Rhizobiaceae. Эти бактерии фиксируют атмосферный азот, то есть превращают недоступный для растений газообразный азот (N₂) в легкоусвояемую аммонийную форму (NH₄). В результате бобовые растения растут лучше, а почва обогащается доступным для других растений азотом.

Выращивание бобовых могло бы помочь при колонизации Марса, так как марсианский реголит хоть и содержит азот, но в очень небольшом количестве. Но будет ли симбиоз бобовых растений и ризобиальных бактерий работать в таком грунте, пока неизвестно.

Франклин Харрис (Franklin Harris) и его коллеги из университета Колорадо решили это проверить и провели эксперимент по выращиванию донника в имитации марсианского реголита.

Использованный в эксперименте модельный грунт носит обозначение MMS (Mojave Mars Simulant), он разработан в 2007 году специалистами Лаборатории реактивного движения NASA с опорой на данные спектральных наблюдений поверхности Марса, и посадочных миссий, в частности, зондов «Викинг» и марсоходов «Спирит» и «Оппортьюнити». Основа искусственного реголита — базальтовый песок из американской пустыни Мохаве. На 50 процентов он состоит из диоксида кремния и на 10 процентов — из оксида железа. Ростки донника выращивались при оптимальных условиях — в теплице под фитолампами при температуре 25-30 градусов Цельсия и ежедневном увлажнении.

Спустя две недели после высадки десять ростков в имитации марсианского реголита обработали культурой бактерий Sinorhizobium melioti, которые образуют бобово-ризобиальный симбиоз с донником, а еще пять оставили необработанными. Для сравнения этот же опыт провели в обычном грунте для выращивания растений. Спустя три месяца после обработки авторы аккуратно вынули растения, определили их массу и количество клубеньков, а также проанализировали состав грунта.

На корнях донника в реголите успешно образовались клубеньки, хоть и значительно меньше, чем в земной почве (в среднем 14,5 клубеньков на растение в реголите, против 63 в земном грунте). Образование клубеньков в реголите могло ограничиваться высоким pH и низкой доступностью железа, которое входит в состав нитрогеназы — фермента, фиксирующего азот. Длина побегов, масса побегов и корней у растений с клубеньками были вдвое больше по сравнению с ростками, не обработанными культурой бактерий. То есть симбиоз в марсианской почве все-таки работает, и значительно улучшает жизнь бобовых растений.

Однако накопления азота в реголите с обработанными растениями не происходило. Несмотря на работу азотфиксирующих бактерий, содержание аммонийного азота в нем даже снизилось (c 5,5 до 3,7 миллиграмм на килограмм).

Авторы связывают это с тем, что в бедном грунте растения потребляли весь доступный азот, как образуемый бактериями, так и присутствующий в грунте. Но есть возможное решение этой проблемы. В земном сельском хозяйстве бобовые растения часто используют в качестве «зеленых удобрений» — их запахивают в землю, где растения разлагаются и высвобождают накопленный азот. По предположению авторов, длительное выращивание бобовых и их запашка в грунт все-таки смогут обогатить марсианский реголит доступным для растений азотом.

Ранее было показано, что в имитации марсианского грунта и разреженной атмосфере могут расти цианобактерии, которые, как и клубеньковые бактерии, способны фиксировать газообразный азот. Также в имитации реголита успешно вырастили десять видов овощных культур.

Тимофей Чернов