Новые результаты исследования бобовых выявили неизвестную роль симбиоза азотфиксации в микробиоме, связанном с корнями растений, который может принести пользу сельскому хозяйству в будущем.
Бобовые формируют уникальные симбиотические отношения с бактериями, известными как ризобии, которым они позволяют заражать свои корни. Это приводит к образованию корневых клубеньков, в которых размещаются бактерии для преобразования азота из воздуха в аммиак, который растение может использовать для роста. Эта симбиотическая фиксация азота позволяет бобовым процветать в местах обитания с ограниченной доступностью азота.
Исследователи из Дании и Германии обнаружили, что интактный азотфиксирующий симбиоз у Lotus japonicus необходим для создания таксономически разнообразных и самобытных бактериальных сообществ. Интеграция этих высокоспецифичных бинарных взаимодействий в контекст экологического сообщества имеет решающее значение для понимания эволюции симбиоза и эффективного использования инокулята ризобий в сельскохозяйственных системах.
Бобовые известны как пионерные растения, колонизирующие маргинальные почвы, и как усилители питательного статуса в культивируемых почвах. Эта полезная активность объясняется их способностью вступать в симбиотические отношения с азотфиксирующими ризобиями. Благоприятный эффект этого симбиоза не ограничивается бобовыми растениями-хозяевами, но распространяется на последующие или одновременные посадки с небобовыми культурами, примером чего служат древние методы ведения сельского хозяйства с чередованием посевов бобовых культур или системами совмещения культур. Этот симбиоз, вероятно, включает в себя благотворное влияние бобовых на питательный статус почвы, а также на почвенный биом. Однако механизмы, лежащие в основе этих симбиотических взаимодействий в контексте сообщества, и их влияние на сложные сообщества микробов, связанных с корнями, остаются в значительной степени неизвестными.
Потеря азотфиксирующего симбиоза влияет на рост растений
Исследовательская группа провела анализ профилирования бактериального сообщества растений дикого типа Lotus japonicus, выращенных в естественной почве, и симбиотических мутантов, пораженных на разных стадиях симбиотического процесса. Они обнаружили, что потеря симбиоза, фиксирующего азот, влияет на рост растений и резко изменяет структуры сообщества, связанные с Lotus, затрагивая по крайней мере 14 отрядов бактерий. Этот фенотип роста и измененная структура сообщества сохранялись в условиях азотных добавок, которые блокировали образование функциональных клубеньков у дикого типа.
Это открытие расширяет роль ключевых симбиотических генов за пределы восприятия и отбора азотфиксирующих ризобий для внутриклеточного размещения в клубеньках и раскрывает важную роль в создании бактериальных сообществ в корне и ризосфере L. japonicus.
Их исследование повышает вероятность того, что влияние бобовых на продуктивность почвы в сельскохозяйственном и экологическом контексте опосредовано обогащением симбиозного бактериального сообщества, а не только ризобиями, фиксирующими диазот. В долгосрочной перспективе эти бактерии по отдельности или вместе с ризобиями можно было бы использовать в качестве инокулята для других растений, чтобы увеличить их рост при минимальном потреблении питательных веществ.
Результаты были получены совместными усилиями групп Симоны Радутойу из Орхусского университета и Пауля Шульце-Леферта из MPI Кёльн, Германия. Они были опубликованы в международном журнале PNAS под названием: Симбиоз корневых клубеньков у Lotus japonicus приводит к созданию отличительных ризосферных, корневых и клубеньковых бактериальных сообществ.