Новое исследование Вашингтонского государственного университета делает важный шаг в этом направлении, выявив ключевой кластер генов, которые можно перенести из ризобий, поглощающих азот, в бактерии, которые этого не делают, — что повышает вероятность того, что микроорганизмы, обитающие в зерновых культурах, в конечном итоге также могут быть модифицированы для поглощения азота из атмосферы.
Это экспериментальное открытие, проливающее свет на то, как растения и микроорганизмы эволюционировали, чтобы взаимодействовать друг с другом на протяжении десятков миллионов лет, а также указывающее на будущий потенциал сокращения использования удобрений в условиях дефицита и стремительного роста затрат для фермеров.
«Сегодня многие исследователи ведут поиск более естественных путей доставки азота к сельскохозяйственным культурам. Мы разработали новый способ успешного переноса большого кластера генов, позволяющих бактериям усваивать азот и колонизировать растения-хозяева, в новые бактерии, которые вообще не могли этого делать. Мы можем преобразовать эти обычные бактерии в бактерии, способные усваивать азот для удобрения растений, за один шаг», — сказала Стефани Портер, доцент кафедры биологических наук в Университете штата Вашингтон в Ванкувере.
Эти результаты, полученные в ходе десятилетних исследований и опубликованные в журнале Current Biology, посвящены ключевому эволюционному процессу: эндосимбиозу, при котором микробы и клетки-хозяева объединяются в один организм. В этом случае микробы живут внутри растительных клеток. Такие эндосимбиотические организмы имеют решающее значение для понимания того, как растения эволюционировали и функционируют в экосистеме, обеспечивая протекание разнообразных процессов, таких как фиксация азота у растений и фотосинтез у кораллов на рифах.
Портер, которая была ведущим автором новой публикации, изучает подобные «мутуализмы» — или сотрудничество между видами — в своей лаборатории. Анжелика Монтойя, научный сотрудник лаборатории Портер, была ведущим автором статьи, а исследователи из Университета Бригама Янга — соавторами.
Испытание новых взаимодействий между бактериями и растениями
Ученые начали с того, что скрестили бактерии, способные собирать азот, с бактериями, которые этого не делают. Такое скрещивание редко бывает успешным, но исследователи разработали генетический инструмент, который значительно повысил вероятность успеха.
Затем им удалось перенести кластер генов, связанных с фиксацией азота, так называемый «остров симбиоза», в не собирающие азот бактерии, а затем связать их с растительными клетками — были выполнены миллионы таких пар с различными бактериями и клетками-хозяевами.
Многие отдельные штаммы были успешно преобразованы, при этом наибольшего успеха добились бактерии, более тесно связанные с азотфиксирующими бактериями. Большинство взаимодействий были полезны для организма-хозяина или не причиняли вреда — это открытие удивило исследователей, поскольку считается, что новые симбионты изначально являются вредными захватчиками, приносящими пользу за счет хозяина.
Далее ученые изучат, какие именно гены и варианты приводят к наибольшему успеху в передаче способности к сбору азота.
«Мы надеемся, что наше исследование побудит коллег продолжать переносить эти азотфиксирующие сегменты генов в новые штаммы, чтобы понять, как они взаимодействуют с фоновым геномом, и постепенно разобраться, что именно обеспечивает их работоспособность», — сказала Монтойя.
Конечная цель — пересадка азотфиксирующих бактерий в основные сельскохозяйственные культуры, которые в настоящее время зависят от агрохимических удобрений.
«Допустим, есть микроорганизмы, которые обычно обитают в кукурузе, сое или других культурах, и мы хотели бы перенести в них эту способность — такой подход позволит нам это сделать. Мы можем изучать гены и варианты, которые обеспечивают успешную передачу этой способности, и постоянно совершенствовать методы подобных преобразований, чтобы помочь фермерам обеспечить достаточное количество азота для своих культур», — сказала Портер.
Источник: Washington State University. Автор: Шон Вестал.
На фото вы видите, что когда бактерии ризобии колонизируют клетки растений, они запускают образование розовых клубеньков на корнях, которые поддерживают необходимые условия для преобразования азота из воздуха в форму, пригодную для растения, по сути, удобряя его. Автор фото: Стефани Портер/WSU.
