Некоторые растения могут удовлетворить свои потребности в азоте, получая его из атмосферы. Для этого они используют бактерии в своих корнях, с которыми устанавливают симбиотические отношения. Исследовательская группа Пола Шульце-Леферта из Института исследований селекции растений им. Макса Планка в Кельне и Симона Радутойу из Орхусского университета в Дании исследовали микробные сообщества внутри и вокруг корней этих растений. Они обнаружили, что отсутствие бобово-ризобиального симбиоза вызывает резкие изменения в составе микробных сообществ, присутствующих в корне. Эти изменения остаются устойчивыми и в условиях, препятствующих образованию каких-либо клубеньков, поскольку растение получает достаточное количество связанного азота из почвы. Набор генов в растении-хозяине необходим для установления функционирующего симбиоза, и те же самые гены необходимы для формирования необычайно стабильных и характерных микробных сообществ в клубеньках, корне и области вокруг корня. Таким образом, эти растительные гены оказывают прямое влияние на состав корневого микробиома.
Все растения нуждаются в азоте для своего роста; однако они не могут получить его непосредственно из атмосферы. Они могут использовать азот только в связанной форме нитратов или ионов аммония, которые они получают либо из почвы, либо путем внесения азотных удобрений в сельскохозяйственные почвы. Тем не менее, одно семейство растений, бобовые, развило способность получать азот посредством симбиотических отношений с естественными почвенными бактериями. Для размещения этих бактерий бобовые создают специальные корневые органы, известные как узелки. Симбионты, известные как ризобии, превращают атмосферный азот в клубеньках в азотистые соединения, которые затем становятся доступными для растений.
Шульце-Леферт, Радутойу и их коллеги Рафал Згадзай и Рубен Гарридо-Отер использовали в качестве модельного растения бобовую культуру, произрастающую в Японии (Lotus japonicus), и составили перечень ассоциированных с корнями микробиомов в диком виде. и четыре мутанта. «Нам удалось показать, что когда симбиоз утрачен, по крайней мере шесть различных отрядов бактерий в большом количестве становятся почти незаметными в корне», - говорит Гарридо-Отер. «Утрата симбиоза вместо этого приводит к накоплению некоторых из этих порядков бактерий в ризосфере, то есть в области вне корня. Похоже, что у этих бактерий больше нет молекулярного билета, который позволил бы им проникнуть в корень, - объясняет он.
В настоящее время ученые не знают, какой из сигналов, связанных с симбиозом, действует как молекулярный билет для проникновения в корень, однако резкие и стабильные изменения в микробиоме явно являются результатом того факта, что симбиоз больше не функционирует. Более того, ученым удалось показать, что клубеньки и корни заселяются бактериями не последовательно, а одновременно. Таким образом, бактерии не мигрируют из одной области в другую, а целенаправленно ищут корни и клубеньки, не делая никаких обходных путей.
У группы ученых, работающих с Шульце-Лефертом и Радутойу, есть два возможных объяснения этих выводов. Возможно, что ризобии сопровождаются целым антуражем бактерий-хелперов, когда они мигрируют к корням и клубенькам в ходе симбиоза. Однако также возможно, что сигнальные молекулы, с помощью которых корни привлекают клубеньковые бактерии из почвы, также привлекают другие бактерии, которые не имеют ничего общего с фактическим симбиозом, но используют тот же сигнал, чтобы получить доступ к растению.
Выводы замечательны по двум причинам: «Поскольку Lotus japonicus остается меньше и бледнее, чем дикий тип в отсутствие симбиоза, и поскольку этот замедленный рост не может быть адекватно компенсирован азотными удобрениями, вполне вероятно, что этот фенотип напрямую связан с микробным сообществом, типичным для мутантов», - говорит Гарридо-Отер.«Без генов и генетических продуктов для интактного симбиоза устанавливается микробиом, который не поддерживает максимальный рост растений».
Поскольку бобовые часто используются в сельском хозяйстве в качестве промежуточных культур для улучшения содержания азота в почве, значимость этих результатов выходит за рамки фундаментальных исследований. До сих пор предполагалось, что симбиоз опосредуется только ризобиями внутри клубеньков бобовых. Однако теперь представляется, что в симбиозе участвуют также характерные микробные сообщества, обнаруженные в корне и ризосфере. Исходя из этого, недостаточно инокулировать семена бобовых только ризобактериями, как это делается в настоящее время: их также следует инокулировать соответствующими бактериями из корневого микробиома.