Секреты симбиоза растений и микробов скрываются в карманах листьев папоротника

от

Растения и микробы часто имеют симбиотические отношения, полагаясь друг на друга в получении питательных веществ или укрытия. Понимание и создание таких симбиозов — важный шаг на пути к решению глобальных проблем, таких как продовольственная безопасность, улавливание углерода и восстановление экосистем.

В статье, опубликованной в журнале The ISME Journal, исследователи из Института науки и технологий Окинавы (OIST) подробно рассказали о симбиотических отношениях и микробных сообществах внутри папоротника Azolla, представив новые идеи об этих важных растениях.

Профессор Дэвид Армитейдж, руководитель подразделения интегративной экологии сообществ в OIST и автор исследования, объясняет: «Azolla — удивительные растения. Они растут очень быстро и встречаются практически на всех континентах. Благодаря своим микробным симбионтам они эффективно усваивают азот, поэтому их исследуют в качестве биоудобрений и белковых добавок для кормов животных. Интересно, что огромное количество спор Azolla было обнаружено в окаменелых образцах примерно во время последнего глобального похолодания 50 миллионов лет назад, когда снижение уровня CO₂ способствовало охлаждению атмосферы. Поэтому их также изучают на предмет свойств улавливания углерода».

Исследователи были заинтересованы в изучении микробных сообществ внутри карманов листьев Azolla — крошечных полых камер в листьях, в которых содержатся симбиотические бактерии. Какие бактерии присутствовали у разных видов Azolla, какие симбиотические отношения существовали и как симбиотические бактерии эволюционировали по сравнению со своими свободно перемещающимися сородичами? Ответив на эти вопросы, они надеялись не только глубже понять эти интересные растения, но и открыть новые области исследований для будущих микроэкологов и молекулярных инженеров.

Первой задачей команды было выяснить, какие именно микробы присутствуют и являются симбионтами внутри карманов листьев папоротника. Предыдущие исследования дикого Azolla по всему миру выявили множество различных видов бактерий, распространённых в этих полостях листьев, но здесь команда подтвердила, что только цианобактерии Trichormus azollae являются истинными симбионтами этих растений.

Взятие образцов из карманов листьев у различных видов Azolla и реконструкция геномов микробных обитателей позволили исследователям обнаружить, что только T. azollae присутствует во всех карманах листьев, что указывает на неё как единственную симбиотическую бактерию для этого растения.

«Хотя мы обнаружили и другие бактерии в некоторых образцах, мы считаем их временными посетителями этих папоротников», — подтвердил профессор Армитейдж.

Далее исследователи решили более подробно изучить T. azollae. Известно, что цианобактерии являются симбионтами для широкого спектра растений и умеют производить азот. Поэтому они могут быть использованы для обеспечения продовольственной безопасности, поскольку внедрение симбиотических цианобактерий может поддержать снабжение питательными веществами основных сельскохозяйственных культур.

Сравнивая симбиотические цианобактерии T. azollae с их свободноживущими родственниками, исследователи стремились выявить геномные последствия симбиоза. Здесь они обнаружили, что геном симбионта находится в экстремальном состоянии распада, что, возможно, объясняет наблюдение, согласно которому он больше не способен выживать вне растения-хозяина.

«Там было больше псевдогенов, чем функционирующих генов», — сказал профессор Армитейдж. «От тридцати до пятидесяти процентов генов были потеряны у симбиотических цианобактерий по сравнению со свободно перемещающимися вариантами».

Чтобы понять причины этого распада, можно представить естественный отбор и эволюционное давление, оказываемое на гены, выполняющие важные функции. Если мутация в гене оказывает положительное или отрицательное влияние на выживание его владельца, она может быть отобрана или удалена посредством естественного отбора.

Эти псевдогены, как считается, возникают, когда селективное давление на ген ослабевает, если, например, функция гена больше не нужна. Мутации накапливаются, в конечном итоге приводя к тому, что гены перестают функционировать и становятся так называемыми псевдогенами. В течение гораздо более длительных периодов эволюционного времени такие псевдогены потенциально могут быть удалены, что приведёт к общему сокращению генома.

Команда смогла точно определить, какие гены, связанные с определёнными функциями, по-разному эволюционировали у симбионтов и их родственников. Гены, связанные с адгезией, внутриклеточным транспортом, секрецией и везикулярным транспортом, имели более высокую прогнозируемую экспрессию и обилие у симбиотических бактерий. Они могут помочь цианобактериям закрепиться в карманах листьев и поддержать фиксацию азота, принося пользу хозяину.

Напротив, гены, связанные с защитными механизмами, стрессовыми реакциями, репликацией и репарацией, по-видимому, подверглись ослабленному отбору или были деградированы до псевдогенов, что указывает на бесстрессовую среду обитания этих симбионтов, обитающих в полостях.

Благодаря этим результатам исследователи надеются, что научное сообщество сможет использовать полученные геномные данные для нацеливания на гены, участвующие в симбиозе.

Профессор Армитейдж заключил: «Наша цель — чтобы эта работа послужила основой, помогая учёным понять, как стимулировать такие симбиозы для решения мировых проблем, таких как продовольственная безопасность, путём создания культур, фиксирующих азот».

«Симбиозы растений и микробов имеют огромное потенциальное влияние, если мы сможем просто раскрыть, как и почему они функционируют, и пример Azolla является одним из самых экстремальных и тесных между партнёрами».

Предоставлено
Институтом науки и технологий Окинавы

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте