В статье, опубликованной на обложке журнала Science, профессор Нико Гелднер и его команда из Лозаннского университета (Unil) раскрывают тонкие связи и соперничество, разворачивающиеся между бактериями и корнями, скрытыми под почвой.
Микробиота растений, или фитобиом, объединяет сообщества бактериальных и грибковых микроорганизмов, которые могут быть партнёрами, союзниками, а иногда и врагами. Та часть, которая наиболее тесно связана с корнями, называется ризосферным микробиомом, от греческого «rhizo-» (корень).
Для формирования специализированного защитного микробиома растения избирательно используют эти бактерии из почвы. Хрупкий баланс микробного сообщества влияет на рост, здоровье растений и их способность противостоять стрессовым факторам окружающей среды. Когда растения ослаблены, некоторые микробы могут даже менять свою роль и становиться патогенами.
Как растения выбирают себе микробных партнёров? Выделяя сложный коктейль молекул, называемый «корневыми экссудатами». Такие экссудаты содержат сахара, аминокислоты и другие органические соединения. Хотя было известно, что эти соединения играют важную роль в бактериальной колонизации, было мало известно о том, как, где и когда экссудаты выделяются в микромасштабах, характерных для микроорганизмов.
Эту загадку стараются решить исследователи из Unil в тесном сотрудничестве с доктором Фэн Чжоу (CEMPS, Шанхай) и немецкими коллегами.
Подобно эпителию кишечника животных, эндодерма корня растения действует как селективный фильтр, предотвращая утечку богатых энергией соединений из центральной транспортной вены в почву. Однако в процессе роста этот барьер может временно разрушаться. «Например, когда из главного корня появляется боковой корень, часть барьера разрушается, позволяя корешку пройти. Хотя разрушенный барьер вскоре восстанавливается, разрыв вызывает временный отток. Бактерии затем скапливаются и размножаются именно в этом месте. Вопрос заключался в следующем: что их привлекает и заставляет размножаться?», — объясняет Нико Гелднер, соавтор статьи.
Отсюда у ученых возникла гипотеза: изменение энтодермального барьера влияет на привлечение микроорганизмов и состав бактериальных сообществ.
Задача состояла в том, чтобы раскрыть механизм этого явления. Для этого были использованы мутанты модельного растения Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля), полностью лишённые энтодермальных барьеров.
«Наши наблюдения подтвердили, что изменения в энтодермальных барьерах существенно влияют на бактериальную колонизацию. Поэтому мы задались вопросом, проявляют ли бактерии особую симпатию к одному или нескольким определённым веществам, которые просачиваются», — говорит Нико Гелднер.
Используя мутанты арабидопсиса, группа обнаружила значительное накопление аминокислот, особенно глутамина, в экссудатах.
Глутамин — бактериальный маяк
Глутамин играет важную роль в переносе азота от корня к побегу и был основным кандидатом для исследователей. На этом этапе в дело вступили специалисты лаборатории профессора Кристофа Киля на кафедре фундаментальной микробиологии Лозаннского Университета.
В течение нескольких десятилетий его команда изучала весьма специфичную бактерию Pseudomonas protegens CHA0, которая хорошо растёт на различных растениях, в том числе на корнях резуховидки Таля, и способна защищать их от грибковых заболеваний. Чтобы выяснить, привлекает ли эту бактерию глутамин, исследователи генетически модифицировали эту модельную бактерию.
«Мы создали бактерии, которые утратили способность “чувствовать” глутамин. Интересно, что эти бактерии не смогли обнаружить места появления боковых корней», — сообщает доктор Хуэй-Сюань Цай, научный сотрудник в группе Гелднера и соавтор исследования.
Более того, исследователи также смогли наблюдать, как бактерии используют глутамин для своего роста, разработав систему флуоресцентного репортера, которая активируется только при метаболизме глутамина. Таким образом, эта аминокислота выступает в качестве основного сигнала, позволяя бактериям находить и колонизировать точные места утечки на поверхности корня.
«Мы показали, что бактерии метаболически адаптируются к этой богатой глутамином нише и используют ее в качестве источника энергии, что позволяет им размножаться еще больше», — добавляет Хуэй-Сюань Цай.
Эти результаты показывают, что локальные утечки глутамина формируют бактериальную колонизацию и выявляют тонко настроенные взаимодействия между корнями и микробами. Теперь команда Гелднера намерена выявить другие привлекательные соединения, особенно те, которые выделяются в стрессовых условиях (засуха, засоление, жара).
Могут ли подобные открытия быть применены в сельском хозяйстве, в то время как сокращение использования удобрений и пестицидов является приоритетом? «Это мечта многих исследователей. Однако каждая почва имеет свою уникальную микробиоту, что затрудняет выбор конкретного штамма бактерий, который приживётся и защитит конкретное растение», — говорит Нико Гелднер. Необходимы лабораторные эксперименты, чтобы выявить общие принципы взаимодействия корней и бактерий с использованием упрощённых микробных сообществ.
«Определенно, — заключает исследователь, — здоровье растений зависит от их микробиоты. Без более глубоких знаний об их взаимодействии с корнями мы никогда по-настоящему не поймём, что происходит на наших полях».
Источник: University of Lausanne.
