Flavonoidforbindelser - produceret af rødderne af nogle sorghumplanter - påvirker jordens mikroorganismer positivt, ifølge forskere fra Penn State, som foreslår, at opdagelsen er et tidligt skridt i udviklingen af en frostbestandig linje af den værdifulde afgrøde til Nordamerika landmænd.
Det er vigtigt, fordi sorghum er en afgrøde, der kan reagere på klimaændringer på grund af dens høje vand- og nitrogenforbrugseffektivitet, ifølge Surinder Chopra, professor i majsgenetik, og Mary Ann Bruns, professor i jordmikrobiologi. En nær slægtning til majs er den den femte mest værdifulde kornafgrøde på verdensplan.
"Sorghum kan bruges til menneskeføde og dyrefoder og kan også dyrkes som en bioenergiafgrøde, der producerer mere ethanol end majs, når den dyrkes på marginale arealer," sagde de. "Sorghum er bedre tilpasset end majs til belastninger som tørke, s altholdighed og varme. Men øget sorghumproduktion kræver en øget tolerance over for nedkøling og froststress, og det gælder især for det nordøstlige USA."
Viser røde flavonoider
For at nå sit fulde potentiale skal sorghum vokse fem måneder efter at være blevet plantet i den første uge af juni. Hvis der opstår frost i begyndelsen af oktober - hvilket ikke er usædvanligt i det nordøstlige USA - kan landmændene blive ødelagt. Fordi sorghum er så følsomt over for at blive afkølet, kan selv en mild frost eller et tidligt kuldebillede dræbe afgrøden.
Tidligere undersøgelser foretaget af Chopras forskergruppe i College of Agricultural Sciences viste, at sorghum producerer kraftige flavonoider i bladene, når de udsættes for belastninger som svampe, insektmadning eller frost. Disse flavonoider kan tillade planten at tilpasse sig og overleve. Bruns-gruppen har arbejdet på at forstå jordmikrobiomer i forskellige stressede økosystemer.
Forskerne tester sammen, om interaktioner mellem disse flavonoider og mikroorganismer i rodzonen kan føre til udviklingen af sorghum-varianter og kompatible jordmikrobielle tilsætninger for at give modstand mod kulde og frost. Et samarbejde mellem de to forskningsgrupper gør dem i stand til at forbinde udbredelsen af planteassocierede mikrobiomer, plantegenetik og flavonoider.
I denne undersøgelse fandt forskere bevis for, at plantegenetisk variation påvirker rodflavonoider og sammensætningen af jordens mikrobielle samfund, og at lave temperaturer påvirker disse forhold. I resultater, der for nylig er offentliggjort i Phytobiomes Journal, hævder de, at plante-mikrobe-interaktioner og sekundær metabolitproduktion kan være vigtige komponenter at inkludere til selektiv avl af sorghum til froststresstolerance.
"Vi tror, at flavonoiderne kan give den nødvendige tolerance mod stress fra kulde og frost," sagde Bruns og Chopra. "Desuden kan visse mikroorganismer, der er til stede i jorden, interagere med flavonoider for at give planten tilpasningsevne, når den opfatter kulde eller frost over jorden."
Forskerne dyrkede udvalgte linjer af sorghum ved Penn State's Russell E. Larson Agricultural Research Center i Rock Springs fra frø, de erhvervede fra Grain, Forage and Bioenergy Research Laboratory, der vedligeholdes af det amerikanske landbrugsministeriums landbrugsforskningstjeneste i Lincoln, Nebraska.
Af disse "næsten isogene" linjer af sorghum - ens bortset fra to gener involveret i produktionen af flavonoider - et sæt linjer producerede iboende flavonoider, det andet sæt manglede gener til at producere flavonoider, og den tredje type kun producerede flavonoider, når planterne blev udsat for stress som frost og svampesygdomme.
Forskere analyserede samfundet af mikroorganismer i jorden omkring rødderne for at se, om tilstedeværelsen eller fraværet af flavonoider i rødderne af nogle af sorghumplanterne påvirkede samfund af svampe og bakterier. Ledende forsker Mara Cloutier, doktorgradskandidat i jordbundsvidenskab og biogeokemi, ledede evalueringen af mikrobiomer i nærheden af rødderne før og efter en sen-sæson frost.
Seed multiplikation plot
Forskerne analyserede rødder for totale flavonoider, samlede phenoler og antioxidantaktivitet for at bestemme, om durra genetisk variation havde indflydelse på rodflavonoidkoncentrationer og jordens mikrobielle samfund. Forskerne ønskede at identificere, hvordan frost påvirkede disse forhold.
"Vi fandt ud af, at et større antal bakteriestammer var korreleret med totale flavonoider sammenlignet med svampearter," sagde hun. "Samlet giver denne undersøgelse bevis for, at plantegenetisk variation påvirker rodflavonoider og jordmikroorganismernes samfundssammensætning i nærheden af planterødderne, og at disse forhold er påvirket af frost."
Debamalya Chatterjee, Dinakaran Elango og Jin Cui, kandidatstuderende i plantevidenskab, var også involveret i forskningen.
The Sun Grant Initiative og US Department of Agricultures National Institute of Food and Agriculture finansierede denne forskning.
