Большинство растений позволяют грибным микроорганизмам проникать в клетки своих корней и обеспечивать их углеводами в обмен на лучшее поступление питательных веществ и воды. И только бобовые растения, такие как соя, горох, фасоль и клевер, вступают в дополнительный, взаимовыгодный симбиоз с азотфиксирующими почвенными бактериями. Союз с так называемыми ризобиями позволяет им получать необходимый для роста азот из воздуха. Перенос этого механизма на небобовые культуры открывает путь к сортам, которым требуется меньшее количество азотных минеральных удобрений, как в случае с бобовыми. Доказано на томате.
В рамках проекта «Обеспечение симбиоза питательных веществ в сельском хозяйстве» (ENSA) группа исследователей под руководством профессора Томаса Отта, профессора клеточной биологии растений на факультете биологии Фрайбургского университета Альберта Людвига и члена Центра передового опыта CIBSS — Центра интегративных исследований биологической сигнализации, впервые продемонстрировала, что SYFO2, малоизученный белок, обнаруженный в корнях бобовых и других растений, играет ключевую роль в «самооплодотворении» бобовых ризобиями, поскольку он позволяет ризобиям проникать в клетки корней.
Как только бактерии попадают в корневые волоски растений, SYFO2 инициирует реорганизацию актинового цитоскелета — ключевой этап, позволяющий бактериям проникнуть в клетки корня и колонизировать их изнутри. В результате колонизации вдоль корней растения образуются крошечные узлы, где ризобии фиксируют азот из воздуха и делают его доступным для растения.
Международная группа ученых успешно продемонстрировала этот процесс, используя сочетание методов визуализации, молекулярной биологии и генетики. Кроме того, ученые смогли активировать собственную версию SYFO2 томата, введя регуляторный фактор симбиоза корневых узлов с азотфиксирующими бактериями — транскрипционный фактор NIN.
Исследование под названием «Нанодоменно-локализованный формин открывает доступ симбиотических микроорганизмов к бобовым и паслёновым растениям» улучшает понимание того, как можно контролировать, например, собственные гены томата, связанные с симбиозом. Оно закладывает основу для будущих усилий по усилению полезных взаимодействий между растениями и ризобиями и передаче способности к фиксации азота сельскохозяйственным культурам — с долгосрочной целью снижения потребности в удобрениях. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
«Большинство бобовых разработали сложные механизмы, позволяющие симбиотическим бактериям проникать в клетки. В этом исследовании мы выявили молекулярную основу ключевого процесса, в котором растение переключается с «захвата бактерий» на «открытие двери» для них», — говорит Отт. Исследование получило дополнительную поддержку от научного сотрудника CIBSS, профессора Роберта Гроссе, директора Института экспериментальной и клинической фармакологии и токсикологии медицинского факультета.
Кроме того, исследователям удалось показать, что SYFO2 необходим некоторым растениям, не вступающим в симбиоз с азотфиксирующими бактериями, для инициирования наиболее распространенного и эволюционно более древнего типа симбиоза: микоризного симбиоза между растениями и грибами.
На этом фоне и ввиду успешной активации белка в томатных растениях Отт говорит: «Этот результат особенно интересен, поскольку он показывает, что гены, обычно участвующие в микоризном симбиозе, могут быть перенаправлены для содействия созданию бактериального азотфиксирующего симбиоза в растениях».
«Повторное введение этого белка бобовых в растения томата успешно активировало экспрессию гена SYFO2 томата. Наша работа идентифицирует SYFO2 как ключевой фактор, контролирующий переключение полярности от роста корневого волоска на кончике к инвагинации мембраны и прорастанию инфекционной нити, что позволяет внутриклеточно размещать полезные микроорганизмы. SYFO2 функционирует путем фазового разделения с нанодоменами SYMREM1 для локальной концентрации и активации механизма сборки актина в местах инфекции. Открытие того, что промотор SYFO2 томата сохраняет функциональный элемент, реагирующий на NIN, несмотря на эволюционную потерю способности к образованию клубеньков вместе с самим геном NIN миллионы лет назад, выявляет неожиданно глубокое сохранение генетических компонентов, реагирующих на сигналы ризобий, в не бобовых растениях. Этот общий SYFO2-зависимый механизм размещения разнообразных полезных микроорганизмов обеспечивает фундаментальную основу для понимания внутриклеточных симбиозов растений и микроорганизмов и предлагает стратегии для создания полезных микробных ассоциаций в сельскохозяйственных культурах, например, путем реактивации консервативных генетических цепей», заключил ученый.
Источник: Albert Ludwig University of Freiburg. Автор: Римма Геренштейн. На заглавном фото: ученый CIBSS профессор доктор Томас Отт. Автор фото: Михаэль Шпигельхальтер / Фрайбургский университет.