По мере роста населения мира, которое, по оценкам, к 2050 году достигнет почти 10 миллиардов человек, растет и потребность в повышении урожайности сельскохозяйственных культур и производстве достаточного количества растительного материала как для производства продуктов питания, так и для устойчивых альтернативных видов топлива. Чтобы помочь улучшить стратегии селекции сельскохозяйственных культур и преодолеть такие проблемы, как повышение устойчивости растений к маргинальным землям и стрессам, таким как засуха и низкая доступность питательных веществ, исследователи сосредотачиваются на понимании и продвижении полезных взаимоотношений растений и микробов.
Опубликовано 18 декабря 2017 г. в журнале Nature Genetics, группе под руководством исследователей из Объединенного института генома (JGI) Министерства энергетики США (DOE), Центра научных исследований Министерства энергетики США и Медицинского института Говарда Хьюза. в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл (UNC) использовали каталог бактериальных геномов, чтобы идентифицировать и охарактеризовать гены-кандидаты, которые помогают бактериям адаптироваться к растительной среде, особенно гены, участвующие в бактериальной колонизации корней.
Большинство исследований в этой области на сегодняшний день были сосредоточены на структуре сообщества растительного микробиома, т. е. «кто там», и меньше на функции, т. е. «что они делают, как и когда». они это делают». Предыдущие исследования, в которых рассматривалась функция, в основном рассматривали взаимодействие одного хозяина и микроба, например, между растением арабидопсис и патогеном.
«Если мы хотим создать правильный микробиом для поддержки роста растений, нам нужно понять реальную функцию микробиома, а не только генов-маркеров последовательности», - сказал соавтор исследования Асаф Леви, научный сотрудник JGI.«Здесь мы использовали массивные геномные и вычислительные усилия, чтобы ответить на фундаментальный и важный вопрос: «Как растительный микробиом взаимодействует с растением?»
Большая часть взаимодействия между микробами и растениями происходит на границе между корнями и почвой. Исследователи из Университета Северной Каролины, Окриджской национальной лаборатории и Института Макса Планка выделили новые бактерии из корневой среды Brassicaceae (191), тополей (135) и кукурузы (51). Геномы этих 377 бактериальных изолятов, а также еще 107 отдельных бактериальных клеток из корней A. thaliana были затем секвенированы, собраны и аннотированы в JGI.
Затем авторы объединили новые геномы с тысячами общедоступных геномов, которые представляют основные группы бактерий, связанных с растениями, и включили для сравнения бактерии из различных растительных и нерастительных сред, таких как кишечник человека. Полученная база данных из 3837 геномов, 1160 из которых относятся к растениям, была использована в сравнительном геномном анализе.
Затем исследователи определили гены, которыми обогащены геномы растений и корневых организмов.
"Для нас очень важно понять, какие гены и функции микробы используют для колонизации растений, потому что только тогда у нас будет шанс рационально разработать полезные "пробиотики для растений", которые помогут нам выращивать больше пищевых и энергетических культур с меньшим количеством химических веществ. таких материалов, как удобрения, пестициды или фунгициды», - сказал старший автор исследования Джефф Дангл, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза и профессор биологии Джона Н. Коуча в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл
Среди ключевых выводов, полученных в ходе исследования, было то, что геномы, связанные с растениями и почвой, имеют тенденцию быть больше, чем контрольные геномы из той же клады. Было обнаружено, что это отчасти связано с обогащением генов, участвующих в метаболизме и транспорте сахара, вероятно, адаптацией к растительному углероду, полученному в результате фотосинтеза, который генерируется природными «кондитерскими фабриками», - сказал Асаф Леви. До 20% углерода, зафиксированного растениями в процессе фотосинтеза, выделяется через корни в виде сахаров, привлекающих микробы.
Были также идентифицированы многочисленные гены, которые, по-видимому, имитируют функции растений, кодируя «растительноподобные домены PA и RA» или PREPARADO. «Хорошо известно, что патогены растений используют белки, которые имитируют домены растений, необходимые для иммунной функции», - сказал Дангл. «Представьте, что патоген вводит непосредственно в растительную клетку белок, который имитирует часть определенного механизма иммунной системы. определенные нами домены могут работать таким же образом."
Быстро развивающиеся гены часто являются признаком молекулярной гонки вооружений между организмами, разделяющими окружающую среду. Эти гены часто используются для нападения или защиты от других организмов. В ходе исследования были идентифицированы два новых быстро развивающихся семейства белков, связанных с различным «образом жизни» родственных бактерий, связанных с растениями. Один, обнаруженный у комменсальных бактерий, получил название «Джекилл»; другой, обнаруженный в патогенных бактериях, был назван «Хайд». Вместе с сотрудниками из Virginia Tech и ETH (Швейцария) ученые JGI обнаружили, что последние очень эффективно убивают конкурирующие бактерии, потенциально помогая этим «хайдам» занять нишу листьев. Отдел инноваций и партнерства (IPO) Berkeley Lab подал заявку на патент этого семейства как потенциального антибактериального механизма для борьбы с фитопатогенами.
Полный каталог новых геномов и генов, связанных с растениями, доступен исследовательскому сообществу через специальный веб-портал: Геномные особенности адаптации бактерий к растениям.
База данных является ценным ресурсом для исследовательского сообщества, изучающего взаимодействие растений и микробов, поскольку это беспристрастный способ идентифицировать потенциально интересные гены, участвующие во взаимодействии с растением, включая множество совершенно новых генов. В настоящее время мы экспериментально изучаем функцию многих из этих генов, чтобы получить лучшее функциональное представление о микробиоме растений», - сказал Леви.