В следующий раз, когда вы будете думать о том, приготовить ли ужин или заказать пиццу с доставкой, подумайте вот о чем: растения делали почти одно и то же на протяжении тысячелетий.
Исследователи программы «Системы, синтетическая и физическая биология» Университета Райса подробно рассказали, как растения эволюционировали, чтобы получать питательные вещества, используя удобные бактерии в качестве службы доставки.
Их отчет открытого доступа в Science Advances рассматривает, как растения воспринимают местную окружающую среду и, при необходимости, производят и выделяют молекулы, называемые флавоноидами. Эти молекулы привлекают микробы, которые заражают растения и образуют азотные клубеньки, где образуется пища, на их корнях.
Когда азот присутствует и доступен, растениям не нужно заказывать его. Их способность ощущать присутствие поблизости медленно высвобождаемого источника азота, органического углерода, является ключевым фактором.
«Это великолепный пример эволюции: растения меняют пару групп (кислород/водород) здесь и там во флавоноидах, и это позволяет им использовать почвенные условия, чтобы контролировать, с какими микробами они общаются», - сказала Райс. биогеохимик Кэролайн Масиелло, соавтор исследования.
Команда Райса в сотрудничестве с исследователями из Корнельского университета специально проанализировала, как флавоноиды опосредуют взаимодействие между растениями и микробами в зависимости от присутствия абиотического (неживого) углерода. Их эксперименты, к их удивлению, показали, что избыток растворенного, а не твердого углерода в почве эффективно подавляет сигналы флавоноидов.
Понимание того, как углерод в почве влияет на эти сигналы, может дать возможность разработать полезные взаимодействия между растениями и микробами и разработать эффективные почвенные поправки (добавки, которые уравновешивают недостатки в почве), считают исследователи. Растения используют флавоноиды в качестве защитного механизма от корневых патогенов и могут манипулировать органическим углеродом, который они производят, чтобы мешать передаче сигналов между микробами и другими растениями, которые конкурируют за те же питательные вещества.
В целом они показали, что более высокие уровни органического углерода в почве подавляют сигналы флавоноидов на 98%. В одной серии экспериментов прерывание сигналов между бобовыми растениями и микробами резко сократило образование азотных клубеньков.
Аспирант риса Иленн Дель Валле начала исследование, когда заинтересовалась тонкими различиями между тысячами флавоноидов и тем, как они влияют на связи между растениями и микробами в почве.
«Мы изучили, как различные почвенные поправки меняют то, как микробы общаются друг с другом», - сказал Дель Валле, соавтор статьи вместе с бывшим научным сотрудником Корнелла Тарой Вебстер.«Следующий вопрос заключался в том, происходит ли это, когда микробы общаются с растениями.
«Мы знали, что растения модулируют симбиоз с микробами через молекулы флавоноидов», - сказала она. «Поэтому мы хотели узнать, как флавоноиды взаимодействуют с почвенными добавками, используемыми для различных целей в сельском хозяйстве».
Поскольку она считает двух профессоров Райса - Масиелло и синтетического биолога Джоффа Силберга - своими советниками, у нее был доступ к инструментам из обеих дисциплин, чтобы обнаружить механизмы, лежащие в основе этих тонкостей.
«Мы пришли к этому, думая, что биоуголь будет иметь большой эффект», - сказал Силберг. «Биоуголь - это древесный уголь, сделанный для сельскохозяйственных добавок, и хорошо известно, что он влияет на сигналы между микробами. У него большая площадь поверхности, и флавоноиды тоже выглядят липкими. Люди думали, что они прилипнут к биоуглю.
«Они этого не сделали. Вместо этого мы обнаружили, что растворенный углерод, перемещающийся через воду в почве, влияет на сигналы», - сказал он. «Это сильно отличалось от всех наших ожиданий».
Команда Райс и Корнелл провела эксперименты с почвами с лугов, ферм и лесов, а затем смешала три немного разных флавоноида: нарингенин, кверцетин и лютеолин.
Они обнаружили наиболее драматические эффекты, когда присутствовал растворенный углерод, полученный из растительного материала или компоста. Растения используют нарингенин, вариант флавоноида, придающий грейпфрутам горький вкус, и лютеолин, содержащийся в листьях и многих овощах, для активации фиксации азота микробами. Они были наиболее ограничены в своей способности находить микробы. Кверцетин, который также содержится в таких продуктах, как капуста и красный лук, и используется для защиты от вредителей, не постигла та же участь.
Масиелло отметил, что растениям приходится платить за связь с микробами в почве.
«Эти отношения с симбионтами дорого обходятся метаболизму», - сказала она. «Растениям приходится расплачиваться с микробами фотосинтезированным сахаром, а в обмен микробы добывают из почвы питательные вещества. Микробные симбионты могут быть очень дорогими субподрядчиками, иногда забирающими значительную долю фотосинтеза растений.
«Иленн и Тара продемонстрировали один механизм, с помощью которого растения могут контролировать, инвестируют ли они в дорогих симбионтов», - сказала она. «Среди широкого класса сигнальных соединений, используемых растениями для многих целей, один конкретный сигнал, связанный с питательными веществами, блокируется высоким содержанием органического вещества в почве, которое является источником питательных веществ с медленным высвобождением. Сигнал растений, который говорит: «Давай, живи с нами». ' не проходит.
"Это хорошо для растений, потому что это означает, что они не тратят впустую фотосинтез, поддерживая микробную помощь, в которой они не нуждаются. Иленн и Тара также показали, что сигналы, используемые для других целей, слегка модифицируются химически, поэтому их передача не затронуты с той же скоростью."
Исследователи проверили концентрацию флавоноидов в почве с помощью стандартной хроматографии, а также уникальных флуоресцентных и газовых биосенсоров, генетически модифицированных микробов, введенных в 2016 году при поддержке гранта Keck Foundation, который также поддержал текущий проект. Микробы выделяют газ, когда они ощущают определенное микробное взаимодействие в непрозрачных материалах, таких как почва.
«Датчик газа оказался очень полезным в экспериментах, похожих на чай, где мы не могли отображать флуоресцентные сигналы», - сказал Силберг.