На протяжении сотен миллионов лет растения и грибы формировали симбиотические отношения для обмена важнейшими питательными веществами, такими как фосфаты и жирные кислоты. Эта взаимосвязь чрезвычайно важна для роста и выживания обоих организмов, и разгадка того, как они передают молекулы друг другу, может в конечном итоге помочь сократить использование удобрений в сельском хозяйстве.
Теперь исследователи из Института Бойса Томпсона (BTI) обнаружили структурные сети канальцев на границе между растениями и грибами, которые могут пролить свет на механизмы этого естественного партнерства. Подробности исследования были опубликованы в журнале Nature Plants 8 февраля.
По оценкам, 80% семейств сосудистых растений образуют симбиозы с типом почвенных грибов, называемых арбускулярными микоризными грибами. Грибы проникают в самые отдаленные клетки корней растений и образуют сложные ветвистые структуры, называемые арбускулами. Затем в каждой клетке растения-хозяина вырастает мембрана, покрывающая арбускулу, и в пространстве между растительной мембраной и клеточной стенкой гриба происходит обмен питательными веществами.
В попытке понять фундаментальное взаимодействие между растениями и грибами преподаватель БТИ Мария Харрисон и научный сотрудник Сергей Иванов объединили свои усилия с Р. Ховардом Бергом, директором Интегрированного центра микроскопии Центра Дональда Данфорта. Они использовали передовые методы электронной микроскопии для изображения арбускул, присутствующих в корнях бобовых Medicago truncatula, колонизированных грибком Rhizophagus correctis, и были удивлены результатами..
Наше понимание субклеточной структурной основы взаимодействия основано на исследованиях, проведенных 30-40 лет назад. Многие из них указывали, что материал вокруг гриба, но внутри растительной мембраны, будет представлять собой аморфную матрицу углеводного материала», - сказал Харрисон, соответствующий автор статьи. Вместо этого исследователи обнаружили сеть круглых, трубчатых и гантелевидных структур, построенных липидных мембран, почти все из которых, по-видимому, связаны с мембраной растительной клетки.
Исследователи были еще больше удивлены, обнаружив еще одну сеть мембранных канальцев в пространстве между мембраной грибковой клетки и стенкой грибковой клетки. «Было совершенно неожиданно увидеть такое обширное разрастание грибковой мембраны, особенно зная, что грибу не хватает липидов», - объясняет Иванов, ведущий автор статьи.
Харрисон и Иванов предполагают, что сети связаны с переносом липидов.
«Каким-то образом липиды высвобождаются из растительной клетки и передаются грибу, и нам было интересно, как они проходят через то, что мы считали водной матрицей между мембраной растительной клетки и клеточной стенкой гриба», - говорит Харрисон.«Но, возможно, это пространство не такое уж и водное, и, возможно, эта богатая мембранами среда облегчает перемещение липидов между организмами».
Учитывая физическую близость растительной и грибковой мембранных сетей друг к другу, грибковая сеть может участвовать в абсорбции липидов для оптимизации процесса. Исследователи подозревают, что эта сеть не участвует в переносе фосфатов к растению, потому что мембранные сети более многочисленны вблизи более крупных ветвей арбускулы, тогда как поглощение фосфатов, вероятно, происходит вблизи более мелких ветвей.
Харрисон считает, что новые технологии должны благодарить за обнаружение этих сетей канальцев. «Фиксация образцов замораживанием под высоким давлением обеспечивает лучшую сохранность мембран, чем старые методы. Я думаю, что это причина того, что эти обширные мембраны не были замечены раньше», - говорит она. «Кроме того, трехмерная электронная томография очень эффективна и позволяет нам визуализировать сети, которые не выглядели связанными на двухмерных изображениях."
Иванов тесно сотрудничал с Бергом, который имеет опыт криофиксации и электронной микроскопии, и Джотамом Остином II из Чикагского университета, экспертом в области томографии. Финансовая поддержка этого проекта была предоставлена грантом Национального научного фонда США № IOS-1353367 и Фондом TRIAD.
Другая исследовательская группа под руководством Уты Пашковски из Кембриджского университета в Великобритании провела аналогичные визуализирующие исследования риса, колонизированного R.нерегулярным, и обнаружила аналогичные структуры. Эти результаты были опубликованы в том же номере журнала Nature Plants.