Исследователи доказали, что виды из порядка Букоцветные (Fagales), которые в ходе эволюции утратили способность образовывать корневые клубеньки, всё ещё сохраняют полностью функциональный ген NIN (NODULE INCEPTION). Ранее считалось, что именно поломка или потеря этого ключевого гена-регулятора была главной причиной исчезновения симбиоза у таких растений.
Некоторые растения, включая бобовые, образуют специализированные корневые органы, известные как клубеньки. Такие растения устанавливают симбиотические отношения с азотфиксирующими бактериями и используют атмосферный азот. Этот процесс, называемый «симбиозом корневых клубеньков», является важной биологической функцией, которая может снизить зависимость от химических азотных удобрений. На генетическом уровне предыдущие исследования, в основном на бобовых, показали, что транскрипционный фактор образования клубеньков (NIN) необходим для симбиоза корневых клубеньков. Это открытие привело к преобладающему мнению о том, что потеря гена NIN является основной причиной потери способности к образованию клубеньков.
В новом исследовании, опубликованном в журнале New Phytologist, исследователи из Университета Цукуба изучили эволюцию и функцию гена NIN у видов порядка Fagales. Их анализ показал, что функциональный ген NIN сохраняется у видов, которые больше не образуют корневых клубеньков.
Ученые выделили ортологи гена NIN из лещины обыкновенной (Corylus avellana) — растения, которое принадлежит к порядку Fagales, но никаких азотфиксирующих клубеньков не формирует. Полученный ген лещины внедрили в мутантное лабораторное растение Lotus japonicus (Лядвенец японский, семейство Бобовые), у которого собственный ген NIN был отключен, из-за чего оно не могло формировать клубеньки. Ген лещины (CaNIN) успешно заменил отсутствующий ген бобового растения. Он полностью восстановил у лядвенца способность заражаться ризобиями, запускать органогенез и формировать полноценные, зрелые азотфиксирующие клубеньки.
Главные выводы исследования в том, что ген NIN универсален и законсервирован: несмотря на миллионы лет независимой эволюции и потерю способности к симбиозу, белок NIN у лещины сохранил способность регулировать сложнейшие механизмы создания клубеньков. Причина потери симбиоза в другом. Разрушение способности фиксировать азот у не образующих клубеньки Букоцветных произошло не из-за гена NIN. Сравнительный геномный анализ показал, что у них повреждены другие, сопутствующие симбиозу гены (например, отвечающие за полярный рост бактерий внутри корня)
Открытие приближает науку к созданию сельскохозяйственных культур (например, злаков), способных самостоятельно фиксировать азот из воздуха. Это позволит в будущем кардинально снизить зависимость человечества от химических азотных удобрений
Источник: University of Tsukuba. На фото: срез клубенька лядвенца японского (Lotus japonicus).