По мнению группы исследователей из Университета штата Пенсильвания, определенные ризобии соответствуют определенным растениям, обеспечивая наилучший результат для урожая.
Ученые хотели выяснить, как конкретные гены растений определяют, какие ризобии могут образовывать взаимоотношения. В исследовании, опубликованном в журнале The ISME Journal, они описывают сложную взаимосвязь между генами растения-хозяина и генами ризобий, а также то, как гены растений сильно влияют на то, какие штаммы ризобий растения выбирают из разнообразной смеси.
«Мы выявили основной набор генов ризобий, которые влияли на успешность бактериальных штаммов при нарушении генов растений. Наши результаты показывают, как генетические мутации в растениях-хозяевах изменяют то, какие гены важны для успешности бактериальных штаммов, что создает предпосылки для разработки учеными улучшенных штаммов ризобий для сельскохозяйственных инокулянтов и выведения бобовых растений-хозяев, лучше адаптированных к полевым условиям, где сосуществует множество штаммов», — сказала старший автор исследования и руководитель группы Лиана Бургхардт, доцент Колледжа сельскохозяйственных наук Университета штата Пенсильвания.
Ризобии живут внутри специализированных структур на корнях растений, называемых клубеньками , где они преобразуют атмосферный азот в форму, которую может использовать растение, объяснила первый автор исследования Сохини Гуха, научный сотрудник кафедры растениеводства. Взамен растение обеспечивает ризобии питательными веществами и безопасным местом для жизни. Как и любое сложное биологическое явление, это партнерство в значительной степени регулируется взаимодействием между партнерами.
Гуха отметила, что исход взаимодействия зависит не только от генетического состава бобовых или ризобий, но и от специфического сочетания того и другого, и разные растения-хозяева могут отдавать предпочтение или подавлять разные штаммы ризобий, что приводит к различиям в эффективности взаимодействия в разных парах. В природе бобовые одновременно сталкиваются с десятками штаммов ризобий, каждый из которых имеет немного отличающийся генетический состав.
«Когда бобовое растение пускает корни, оно не просто тянется за водой и питательными веществами — оно посылает химические сигналы бактериям в почве. Эти бактерии — ризобии — могут поселяться в корневых клубеньках и фиксировать атмосферный азот для растения, действуя как встроенное удобрение. Но растение впускает не любую бактерию. Оно отбирает подходящих кандидатов, и результат этого отбора во многом зависит от собственных генов растения», — сказала она.
В этом исследовании, добавила Гуха, авторы задали острый вопрос: что происходит с процессом бактериального скрининга, когда нарушаются определенные гены растений? Чтобы это выяснить, они вырастили бобовые растения с определенными генетическими мутациями — растения, у которых отсутствуют определенные гены, участвующие во взаимодействии с бактериями, — и подвергли их воздействию контролируемого сообщества штаммов ризобий. Затем они наблюдали, какие бактерии в итоге одержат верх в каких растениях.
Чтобы выяснить, как гены растений влияют на отбор почвенных бактерий, исследователи изучили хорошо известное партнерство растений и бактерий, включающее однолетнее бобовое растение люцерна усечённая (лат. Medicago truncatula), и штамм ризобий под названием Sinorhizobium. Это партнерство, произрастающее в Средиземноморье, широко используется в качестве модели для изучения биологии бобовых, фиксации азота и симбиотических отношений.
Исследователи ввели смесь из 86 штаммов бактерий рода Sinorhizobium в 18 растений люцерны, у которых были мутированы — или изменены — гены, известные как важные для образования корневых клубеньков, чтобы посмотреть, какие штаммы приживутся, а какие будут испытывать трудности. Они обнаружили, что успех бактерий был непостоянным. Некоторые штаммы бактерий лучше приживались в определенных мутантных формах; другие — хуже. Это говорит о том, что гены растений направляют эволюционные траектории бактерий, изменяя, какие штаммы размножаются наиболее активно, заявили исследователи.
Когда гены растений нарушаются, это изменяет селективную среду, в которой находятся ризобии, и штаммы, которые ранее обладали одинаковой приспособленностью, ведут себя по-разному после нарушения генов, пояснила Гуха.
«Мы хотели выяснить, как отдельные гены хозяина влияют на приспособленность ризобий, важный показатель для поддержания стабильных популяций азотфиксирующих бактериальных штаммов в почве, а также определить потенциальные гены-кандидаты в ризобиях, ответственные за формирование корневых клубеньков. Это исследование дает общее представление о ландшафте отбора генома Sinorhizobium в отсутствие генов хозяина, лежащих в основе эффективного симбиоза», — сказала она.
Источник: Pennsylvania State University. Автор: Джефф Малхоллем.
На фото: Сохини Гуха, первый автор исследования и научный сотрудник кафедры растениеводства, в теплице с растениями, участвующими в эксперименте. Фото: Университет штата Пенсильвания. Creative Commons.
