Исследование межбелкового взаимодействия, основанное на протеомике, привело к открытию белков, которые взаимодействуют с рецептором бобовых, который обеспечивает передачу сигнала от плазматической мембраны к ядру. Это показывает, как симбиотические сигналы от симбиотических бактерий передаются при восприятии, что в конечном итоге приводит к их размещению внутри растения-хозяина.
Бобовые имеют большое сельскохозяйственное значение, в основном из-за их способности устанавливать симбиотические отношения с азотфиксирующими бактериями, известными как ризобии. Более глубокое понимание биологической фиксации азота (БНФ) и последующая передача этих знаний сельскохозяйственным растениям позволили бы нам отказаться от использования удобрений и устойчиво выращивать сельскохозяйственные культуры. Кроме того, успешный перенос БНФ на небобовые культуры принесет особую пользу мелким фермерам, которые затем смогут повысить урожайность, не сталкиваясь с финансовыми ограничениями, связанными с покупкой неорганических удобрений.
Чтобы внести свой вклад в достижение этой цели, члены группы молекулярной биологии растений в Орхусском университете под руководством профессора Йенса Стоугарда посвятили свои исследования изучению бобово-ризобиального симбиоза. В 2003 году группа идентифицировала локализованные в плазматической мембране рецепторы фактора Nodulation (Nod) 1 и 5 (NFR1 и NFR5), ответственные за распознавание совместимых симбионтов; Факторы Nod представляют собой симбиотические сигнальные молекулы, структура которых различается в зависимости от вида ризобий. Используя строгий замок (рецепторы фактора Nod) и механизм ключа (фактор Nod), только совместимые ризобии могут проникнуть в растение, в то время как несовместимые бактерии не смогут заразить и колонизировать корневые клубеньки.
Прорыв после 15 лет исследований
На протяжении более 15 лет компоненты, участвующие в непосредственной передаче сигналов фактора Nod ниже рецепторов фактора Nod, оставались неуловимыми, что ограничивало понимание исследователями того, как эти рецепторы фактора Nod в конечном итоге приводят к изменениям в структуре корневых волосков и образованию новых органы (клубеньки), необходимые для проникновения и размещения ризобий. Прорыв наконец-то был достигнут благодаря элегантному подходу к протеомике и опыту коллег из исследовательской группы Сирила Зипфеля (Лаборатория Сейнсбери, Великобритания), которые постоянно выявляли новых игроков в передаче сигналов защиты растений.
Работа, опубликованная в журнале PNAS, описывает, как исследователи вылавливали интеракторов, используя NFR5 в качестве приманки. Подобно процессам передачи сигналов, участвующим в защите растений, вегетативном и репродуктивном росте, они обнаружили, что рецептороподобная цитоплазматическая киназа является ключевой для передачи сигналов ниже по течению от рецепторов после восприятия лиганда в передаче сигналов симбиоза. Исследователи назвали эту цитоплазматическую киназу взаимодействующей с NFR5 цитоплазматической киназой 4 (NiCK4). Они предполагают, что при восприятии фактора Nod каскад фосфорилирования с участием NiCK4, NFR1 и NFR5 приводит к локализации NiCK4 в ядре, где присутствуют несколько важных компонентов симбиоза бобовых, и впоследствии способствует образованию клубеньков, используемых для размещения совместимых ризобий.
Фактор Nod и рецептор Nod-фактора запускают перемещение NiCK4 из плазматической мембраны в ядро, что является очень интересными данными, поскольку осцилляции кальция в ядре являются отличительной чертой передачи сигналов симбиоза у бобовых. После этого открытия исследовательская группа надеется собрать и соединить больше сигнальных компонентов симбиоза. Полное понимание всех компонентов, участвующих в сигнальном пути симбиоза, имеет решающее значение для успешного переноса BNF на небобовые культуры.