Ученые из Института биотехнологий Фландрии (VIB) и Гентского университета (UGent) опубликовали в журнале Current Biology исследование, которое раскрывает точные молекулярные программы, которые разворачиваются по мере развития симбиоза томата и грибов арбускулярной микоризы на разных стадиях, а также выявляет перспективные новые генетические регуляторы. Результаты работы в будущем могут быть использованы для создания более эффективных и устойчивых сельскохозяйственных культур.
Древнее партнерство, заново расшифрованное
Арбускулярные микоризные грибы образуют симбиоз с подавляющим большинством наземных растений, и эти отношения насчитывают более 400 миллионов лет. В обмен на сахара, предоставляемые растением, грибы значительно улучшают доступ растения к фосфатам, азоту и другим питательным веществам, снижая потребность в химических удобрениях.
«Несмотря на десятилетия исследований, — говорит профессор Софи Гоормахтиг (Центр системной биологии растений VIB-UGent), — молекулярные детали того, как растения размещают грибные структуры, называемые арбускулами, — основные места обмена питательными веществами — внутри своих корневых клеток, оставались плохо изученными, главным образом потому, что разные стадии колонизации происходят одновременно в одном и том же корне, что затрудняет их разделение с помощью традиционных методов».
UGent является одним из четырех базовых университетов-партнеров Фламандского института биотехнологий (VIB). Их совместное подразделение — Центр системной биологии растений VIB-UGent — считается одной из самых авторитетных мировых площадок по исследованию ДНК растений и агробиотеху.
Молекулярный снимок, клетка за клеткой
Для решения этой задачи команда Гоормахтиг при поддержке Центра изучения отдельных клеток VIB (VIB Single Cell Core) использовала передовую технологию, которая считывает активность генов в отдельных клетках. Применив этот подход к корням томата, колонизированным грибом Rhizophagus irregularis, исследователи получили профили активности генов почти для 66 000 отдельных ядер клеток корня томата. Чтобы убедиться, что команда изучает правильный материал, исследователи использовали флуоресцентную метку для подсветки участков корней, где гриб активно присутствовал, что позволило им детально изучить наиболее важные ткани.
В рамках этого набора данных исследователи выявили группу клеток, которые специфически реагировали на колонизацию грибами.
«Мы выявили четыре последовательных этапа взаимодействия: клетки поверхности корня, реагирующие на приближение гриба, внутренние клетки, готовящиеся впустить его, клетки, находящиеся в процессе построения структур для обмена питательными веществами, и, наконец, клетки, содержащие полностью функциональные грибные структуры, готовые к обмену питательными веществами. Каждый этап имеет свою характерную молекулярную сигнатуру, которая помогает нам понять, как растение постепенно перестраивает свои клетки по мере развития партнерства», — объясняет доктор Наоми Стюэр (VIB-UGent), первый автор исследования.
Обнаружены новые молекулярные переключатели
Чтобы выяснить, какие молекулярные переключатели, известные как факторы транскрипции, управляют процессом на каждом этапе, команда использовала MINI-EX — вычислительный инструмент для прогнозирования того, какие регуляторы контролируют какие гены. Анализ подтвердил роль многих регуляторов, уже известных в этом симбиозе, но также выявил несколько ранее не предполагавшихся кандидатов. Три из этих новых кандидатов были затем протестированы непосредственно на живых корнях томата, где они показали именно ту стадийно-специфическую активность, которую предсказал вычислительный инструмент.
Исследование также позволило получить ряд более широких результатов.
Во-первых, выяснилось, что ключевой сигнальный путь, ранее считавшийся действующим только на поверхности корня, остается активным гораздо глубже внутри корня, на протяжении всего процесса формирования структур грибного обмена питательными веществами. Части этого пути могут способствовать подготовке определенных клеток внутренней коры к образованию арбускул путем изменения их метаболизма и развития.
Поскольку эти клетки внешне идентичны другим клеткам внутренней коры, они оставались в значительной степени малоизученными, что делает этот набор данных одним из первых, позволяющих заглянуть в ранние процессы, предшествующие образованию арбускул.
Наконец, клетки, в которых находятся зрелые грибные арбускулы, по-видимому, интегрируют информацию об общем состоянии питания растения, предполагая, что растение тщательно регулирует объем инвестиций в симбиоз в зависимости от того, насколько хорошо оно уже питается.
«Больше всего меня в этом наборе данных радует то, что он не просто подтверждает наши подозрения; он открывает совершенно новые возможности. Теперь мы можем с точностью до отдельной клетки определить, какие гены включаются или выключаются на каждом этапе колонизации грибами, и начать задаваться вопросом, почему это происходит», — сказала доктор Джудит Ван Дингенен (VIB-UGent), один из ведущих авторов исследования.
Понимание молекулярной логики микоризного симбиоза имеет непосредственное практическое значение: растения, образующие более эффективные партнерства с грибами, могут более эффективно усваивать питательные вещества почвы, снижая зависимость от агрохимических удобрений и повышая устойчивость к стрессовым условиям. Набор данных и потенциальные регуляторы, выявленные в этом исследовании, представляют собой ценный ресурс для будущих усилий по оптимизации симбиоза в сельскохозяйственных культурах.
Источник: VIB (the Flanders Institute for Biotechnology).
