В новом исследовании учёные использовали почти все доступные инструменты — геномику, транскриптомику, эксперименты в теплицах и передовые статистические методы — чтобы получить новое представление о сложных химических взаимодействиях, происходящих в подземных корневых клубеньках, где бобовые растения, такие как соя, обмениваются жизненно важными питательными веществами с почвенными микробами, называемыми ризобиями.
Отчёт об исследовании опубликован в Proceedings of the National Academy of Sciences. Учёные [определили кластеры генов ризобий](https://doi.org/10.1073/pnas.2411831122), которые, по-видимому, быстро распространяются в популяциях бактерий и способствуют увеличению биомассы растений у растений-хозяев.
Понимание взаимодействия геномов хозяина и бактерий поможет оптимизировать рост растений за счёт улучшения ризосферы, говорят исследователи.
«Как и мы, растения полны микробов, и некоторые из них образуют тесно эволюционировавшие симбиозы, где эволюционная история сформировала очень тесное взаимодействие», — сказала Кэти Хит, профессор биологии растений в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне, которая возглавляла исследование вместе с профессором биологии растений Иллинойского университета Эми Маршалл-Колон.
«Бобовые, такие как соя, горох или арахис, развивают особые отношения с ризобиями», — добавила она.
Ризобиальные бактерии «фиксируют» азот из атмосферы, преобразуя его в форму, которую могут использовать растения, сказала Хит. Взамен бобовые дают ризобиям богатые углеродом сахара, «которые растения производят во время фотосинтеза».
Вместо того чтобы исследовать роль одного или двух генов за раз, Хит и её коллеги хотели получить более общее представление об этих обменах.
Они обратились к модельной системе для изучения таких взаимодействий, объединив бобовое растение Medicago truncatula, близкого родственника люцерны, внешне похожего на клевер, с ризобиальной бактерией Sinorhizobium meliloti.
В эксперименте в теплице команда заразила каждое растение M. truncatula одним из 20 штаммов ризобий. Штаммы S. meliloti отличаются друг от друга генетически, но всё ещё принадлежат к одному виду. Некоторые из штаммов постоянно приводили к более активному росту растений, сказала Хит.
После того как растения и микробы сформировали корневые клубеньки, место обмена, исследователи срезали клубеньки и заморозили их для дальнейшего анализа.
Команда проанализировала «транскриптом» каждого клубенька. Транскриптом содержит всю РНК, продуцируемую организмом — или, в данном случае, двумя организмами, — предлагая чёткую картину каждого гена, который экспрессируется.
После того как исследователи определили, какие гены растений и бактерий экспрессируются на более высоком уровне в клубеньках, связанных с наиболее активным ростом растений, они секвенировали высококачественные референсные геномы каждого бактериального штамма.
«Бактерии имеют генетические процессы, которые отличаются от наших», — сказала Хит. «Мы много думаем в классической генетике о вертикальной линии наследования от родителей к потомству — и они тоже это делают. Но они также обмениваются генами горизонтально, когда сталкиваются с другими бактериями — в пределах одного вида или между разными видами. Сложность горизонтального переноса генов огромна».
У S. meliloti есть два источника ДНК: большая первичная хромосома, которая наследуется от «родительской» бактерии при её делении; и две гигантские плазмиды, каждая из которых содержит примерно вдвое меньше генов, чем хромосома.
Плазмиды — это кольцевые фрагменты ДНК, которые более мобильны, чем хромосомная ДНК, и являются местом горизонтального переноса генов, позволяя бактериям приобретать новые гены от своих соседей. Горизонтальный перенос генов даже позволяет бактериям получать гены, необходимые им для того, чтобы стать ризобиями, сказала Хит.
Маршалл-Колон и постдокторский исследователь Ризван Риаз провели детальный статистический анализ и моделирование генной сети, чтобы определить, какие гены ризобий коррелируют с более устойчивым ростом растений. Референсные геномы были полезны для понимания того, какие гены присутствовали и где они были расположены в хромосомной или плазмидной ДНК. Это привело к открытию того, что многие из интересующих генов были сгруппированы вместе на плазмидах.
Дальнейшие эксперименты, проведённые под руководством профессора микробиологических наук штата Северная Дакота и соавтора исследования Барни Геддеса, включали удаление указанных генов. Студентка факультета микробиологии Университета Иллинойса Иван Соса Маркес протестировал влияние этих удалений на рост растений, подтвердив, что идентифицированные гены важны для усиленного роста растений.
«Мы не пытаемся сказать, что это важные гены у всех ризобий во всех бобовых, — сказала Хит. — Но мы получаем представление об уровне вариаций, на который действует естественный отбор».
Исследование предлагает широкую картину одного набора генов S. meliloti, «которые есть только у некоторых штаммов и которые, по-видимому, способствуют росту одного вида бобовых растений. Сами гены менее универсальны, чем разработанный нами подход, который, вероятно, будет применим ко многим другим областям», — сказала Хит.
«Эти аспекты микробной генетики, к которым мы обращаемся, важны для продуктивности сельского хозяйства, роста скота и здоровья человека», — сказала она.
Хит и Маршалл-Колон являются сотрудниками Института геномной биологии Карла Р. Вёзе в Университете Иллинойса.
Предоставлено:
[Университет Иллинойса в Урбане-Шампейне](https://phys.org/partners/university-of-illinois-at-urbana-champaign/)
Другие новости по теме
- Удаление плотин восстанавливает водную экосистему за три года
- Ошибочная идентификация: исследователи разрабатывают новые методы для определения видов рыб-присосок на Западе между горными системами
- Учёные наконец-то разгадали квантовую головоломку, которой уже век: раскрыт секрет электронного туннеля
- Искусственный интеллект улучшает точность анализа наборов генов с помощью экспертных баз данных
- Уличное освещение — не единственный источник светового загрязнения
- Что делать, если осы испортили ваш пикник: руководство учёного по безопасному приёму пищи в присутствии этих насекомых
- Метод картирования позволяет определить связывание белков с ДНК на уровне отдельных клеток
- Изменение «оксисферы» может помочь в борьбе с деоксигенацией прибрежных экосистем
- Оптигенетическая платформа обеспечивает пространственно-временной контроль активности белков и мРНК в живых клетках
- Как учёные изучают жизнь на грани с помощью антарктических морских пауков
Другие новости на сайте
- История взросления математика
- Связь между спортом и снижением риска суицида среди подростков
- Amazon опровергает сообщения о повышении цен на популярные товары после вступления Трампа в должность
- Горы огня: что походы по холмам с отцом рассказали мне о происхождении поисков нефти
- Мессенджер Bitchat от Джека Дорси появился в Apple App Store
- Новая информация может улучшить лечение рака мозга у детей
- Toyota готовит новую Supra: избавление от корней BMW с помощью собственного турбогибрида
- Канал «Another Roof»
- У учителей, работающих с маленькими детьми, не хватает времени на выполнение работы
- Страх перед преступностью — это полезный политический инструмент, даже если данные его не подтверждают.