Робиния ложноакациевая (Robinia pseudoacacia) — быстрорастущее листопадное дерево семейства бобовые, широко известное в обиходе под названием белая акация. Многие однолетние бобовые удовлетворяют потребность в азоте благодаря симбиотическим отношениям: в них обитают бактерии, которые фиксируют атмосферный азот и делают его доступным для растения под жестким диктатом. До сих пор оставалось в значительной степени неясным, как белая акация управляет своими бактериальными партнерами, не разрушая их.
Международная группа исследователей из Технического университета Брауншвейга описала ранее неизвестный механизм: белая акация использует недавно обнаруженное семейство небольших белков, которые специально «перепрограммируют» ее симбиотические бактерии для фиксации азота, сохраняя при этом их жизнеспособность. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Азот — одно из важнейших питательных веществ для растений и, следовательно, необходим для получения высоких урожаев, а также для здоровья лесов. Хотя газообразный азот (N₂) составляет около 78% воздуха, растения не могут использовать его напрямую. Бобовые, такие как горох, клевер и белая акация, зависят от клубеньковых бактерий (ризобий): в небольших утолщениях на корнях, известных как корневые клубеньки, эти бактерии преобразуют атмосферный азот в аммоний, который могут использовать растения. Взамен растение снабжает бактерии энергией.
«Фиксация азота — один из важнейших биологических процессов. Он играет центральную роль в природных экосистемах и одновременно снижает потребность в энергоемких удобрениях», — объясняет доктор Роберт Хенш из Института биологии растений Технического университета Брауншвейга.
У белой акации в этих узелках исследователи из Технического университета Брауншвейга и Юго-Западного университета в Чунцине (Китай) обнаружили необычную группу коротких белков — так называемых пептидов, — которые особенно богаты аминокислотами пролином и глицином.
Команда назвала их NPG-пептидами (nodule-specific proline-glycine-rich peptides, «специфичные для узелков пептиды, богатые пролином и глицином»). Они образуются исключительно в клубеньках, как только бактерии колонизируют корень, и накапливаются специфически в инфицированных клетках. Когда в лабораторных условиях группа исследователей подвергла бактерию Mesorhizobium robiniae воздействию одного из этих пептидов, активность ее генов значительно сместилась в сторону фиксации азота.
«Особенно примечательно в недавно обнаруженных пептидах то, что они не наносят клубеньковым бактериям такого вреда, чтобы те теряли способность к размножению. Это отличает их от всех ранее известных пептидов, используемых другими бобовыми для контроля симбиоза», — говорит Хенш.
Это подчеркивает поразительный контраст между двумя стратегиями азотфиксации у бобовых.
Многие однолетние бобовые, такие как горох, полагаются на принуждение: их пептиды NCR заставляют бактерии переходить в «терминальную дифференциацию», в ходе которой они набухают, фиксируют как можно больше азота, но безвозвратно теряют способность к делению. Это также служит формой контроля качества, поскольку бактерии, которые не могут обеспечить поступление азота, не могут использовать клубеньки. Проще говоря, большинство бобовых растений контролируют свои клубеньковые бактерии (ризобии) крайне жестко. Их пептиды NCR буквально разрушают бактерии, заставляя их необратимо мутировать в «мини-фабрики» по производству азота, лишая их возможности размножаться дальше.
Белая акация придерживается противоположного подхода: ее пептиды NPG побуждают ризобии оседать и фиксировать азот, не заставляя их переходить к этой заключительной стадии. Бактерии остаются жизнеспособными и способными к делению, становясь постоянными сосуществующими организмами. Для долгоживущего дерева, которое должно поддерживать стабильный симбиоз на протяжении многих вегетационных сезонов, такая мягкая форма сотрудничества является вполне вероятным преимуществом.
«До сих пор считалось, что растения контролируют своих симбиотических партнеров в основном с помощью сильно повреждающих или терминально дифференцирующих пептидов. Наши результаты теперь указывают на альтернативный путь», — добавляет ведущий автор исследования, доктор Кевин Олифант. Ранее он был постдокторантом в Техническом университете Брауншвейга, а сейчас проводит исследования в Оксфордском университете (Великобритания).
Кроме того, пептиды NPG, обнаруженные у белой акации, по-видимому, являются уникальными среди других изученных бобовых. В долгосрочной перспективе исследователи надеются, что такие результаты откроют новые подходы к более устойчивому сельскому хозяйству и помогут сократить использование энергоемких синтетических удобрений.
Источник: Тechnical University of Braunschweig. Автор: Янош Крюгер.