В новом исследовании ученые использовали практически все имеющиеся в их распоряжении инструменты — геномику, транскриптомику, эксперименты в теплицах и передовые статистические методы — чтобы по-новому взглянуть на сложные химические взаимодействия, происходящие в подземных корневых клубеньках, где бобовые культуры, такие как соя, обмениваются жизненно важными питательными веществами с почвенными микробами, называемыми ризобиями.
Результаты исследования, опубликованные в Трудах Национальной академии наук, выявили кластеры ризобиальных генов , которые, по-видимому, быстро перемещаются по бактериальным популяциям и способствуют увеличению биомассы растений- хозяев . По словам ученых, понимание взаимодействия геномов хозяина и бактерий поможет оптимизировать рост растений за счёт улучшения ризосферы.
«Как и мы, растения полны микробов, и некоторые из них образуют тесно эволюционировавшие симбиозы, в которых богатая эволюционная история сформировала очень тесное взаимодействие. У бобовых, таких как соя, горох или арахис, развиваются особые отношения с ризобиями», — говорит Кэти Хит, профессор биологии растений в Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне, которая руководила исследованием совместно с профессором биологии растений Иллинойса Эми Маршалл-Колон.
Ризобиальные бактерии «фиксируют» азот из атмосферы, преобразуя его в форму, доступную растениям. Взамен бобовые дают ризобиям богатые углеродом сахара, «которые растения производят в процессе фотосинтеза».
Вместо того чтобы изучать роль одного или двух генов за раз, Хит и ее коллеги хотели получить более глобальное представление об изменчивости этих обменов. Они обратились к модельной системе для изучения таких взаимодействий, соединив бобовое растение Medicago truncatula, близкого родственника люцерны, похожего на клевер, с ризобиальной бактерией Sinorhizobium meliloti.
В ходе эксперимента в теплице группа исследователей привила каждое растение M. truncatula одним из 20 штаммов ризобий. Штаммы S. meliloti генетически отличаются друг от друга, но принадлежат к одному виду. Некоторые штаммы стабильно приводили к более интенсивному росту растений. После того, как растения и микробы образовали корневые клубеньки – место обмена, – исследователи отделили эти клубеньки и заморозили их для дальнейшего анализа.
Команда проанализировала «транскриптом» каждого клубенька. Транскриптомы содержат всю РНК, продуцируемую организмом (или, в данном случае, двумя организмами), что позволяет получить чёткую картину каждого экспрессируемого гена.
После того как исследователи определили, какие гены растений и бактерий экспрессируются на более высоком уровне в клубеньках, связанных с наиболее интенсивным ростом растений, они секвенировали высококачественные референтные геномы каждого бактериального штамма.
По словам Хит, интерпретация данных оказалась трудной задачей: «У бактерий генетические процессы отличаются от наших. В классической генетике мы много внимания уделяем вертикальной линии наследования от родителей к потомству — и они тоже это делают. Но они также обмениваются генами горизонтально, когда сталкиваются с другими бактериями — внутри одного вида или между разными видами. Сложность горизонтального переноса генов колоссальна».
У S. meliloti есть два источника ДНК: большая первичная хромосома, которая наследуется от «родительской» бактерии при ее делении, и две гигантские плазмиды, каждая из которых содержит примерно половину генов, отличных от хромосомы.
Плазмиды — это кольцевые фрагменты ДНК, более подвижные, чем хромосомная ДНК, и являющиеся местом горизонтального переноса генов , что позволяет бактериям приобретать новые гены от своих соседей. Горизонтальный перенос генов даже позволяет бактериям получать гены, необходимые для превращения в ризобии, сказала Хит.
Маршалл-Колон и постдокторант Ризван Риаз провели детальный статистический анализ и моделирование генных сетей, чтобы определить, какие гены ризобий коррелируют с более активным ростом растений. Референтные геномы были полезны для понимания того, какие гены присутствовали и где они располагались в хромосомной или плазмидной ДНК. В результате было обнаружено, что многие из интересующих нас генов были объединены в кластеры в плазмидах.
Дальнейшие эксперименты, проведенные под руководством профессора микробиологических наук Университета Северной Дакоты и соавтора исследования Барни Геддеса, включали удаление указанных генов. Аспирант факультета микробиологии Университета Иллинойса Иван Соса Маркес исследовал влияние этих делеций на рост растений, подтвердив, что выявленные гены важны для ускорения роста растений.
«Мы не утверждаем, что эти гены важны для всех ризобий всех бобовых. Но мы получаем представление об уровне изменчивости, на котором действует естественный отбор», - говорит Хит.
Исследование даёт общую картину одного набора генов S. meliloti, «который есть только у некоторых штаммов и который, по-видимому, стимулирует рост одного вида бобовых. Сами гены менее универсальны, чем разработанный нами подход, который, вероятно, будет применим во многих других областях», отмечает Хит.
«Аспекты микробной генетики, которые мы используем, имеют значение для продуктивности сельского хозяйства, роста поголовья скота и здоровья человека. Именно эти гены мигрируют, и мы не знаем, почему. И они взаимодействуют с остальной частью генома очень сложным образом», заключила она.
Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign.
На графике: бобовые, такие как клевер, образуют корневые клубеньки, в которых обитают симбиотические почвенные микробы, известные как ризобии. Эти клубеньки служат местом обмена питательными веществами, полезными для растений и ризобий. Автор фото: Джули Макмахон.