Всем растениям для роста требуется достаточное количество неорганических питательных веществ, таких как фиксированный азот (обычно в форме аммиака или нитратов). Таким образом, особая группа цветковых растений зависит от тесных симбиотических отношений с азотфиксирующими бактериями как источником связанного азота. Растение предоставляет специализированные корневые клубеньки в качестве «жилья» для своих бактерий-благотворителей, что позволяет им использовать богатые энергией органические соединения углерода в обмен на аммиак, который они вырабатывают из атмосферного азота. Таким образом, оба партнера извлекают выгоду из отношений. Тем не менее сравнительное исследование геномов 37 растений, проведенное мюнхенскими молекулярными биологами из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU) и Мюнхенского центра им. Гельмгольца (HMGU) в сотрудничестве с французскими и китайскими коллегами, показывает, что способность образовывать корни Клубеньковые партнерства неоднократно терялись в ходе эволюции. Новые результаты опубликованы в ведущем журнале Science.
Способность образовывать корневые клубеньки в ответ на присутствие азотфиксирующих бактерий в настоящее время ограничена четырьмя порядками цветковых растений (Fabales, Fagales, Cucurbitales и Rosales), к которым относятся многие сельскохозяйственно значимые виды, включая фасоль, горох и соя - относятся. Поэтому авторы нового исследования предположили, что генетическая основа этого типа симбиоза изначально развилась у общего предка этих групп. «Однако только 10 из 28 семейств растений, составляющих эти четыре отряда, в настоящее время способны образовывать азотфиксирующие корневые клубеньки. Более того, большинство родов в девяти из этих семейств не ведут симбиотический образ жизни», - говорит генетик LMU профессор Мартин. Парниске, который инициировал международное сотрудничество. Чтобы выявить генетические причины относительно низкой распространенности симбиоза корневых клубеньков среди семейств растений, в которых он встречается, консорциум собрал образцы ДНК, а BGI в Китае секвенировал полный геном 10 видов, образующих отдельные типы клубеньков с разнообразными свойствами. бактериальные симбионты, которые, в свою очередь, используют разные стратегии заражения. Затем в тесном сотрудничестве с LMU и HMGU данные о геномных последовательностях этих видов были включены в полногеномное сравнение 37 видов растений, представляющих четыре отряда, упомянутых выше. Ко всеобщему удивлению, анализы показали, что многие представители этих групп, в том числе хорошо известные сорта, такие как клубника, ежевика и яблоки, когда-то обладали, но впоследствии утратили способность образовывать симбиозы.
Мы обнаружили, что ген NODULE INCEPTION (NIN), который является важной предпосылкой для симбиоза корневых клубеньков, неоднократно и независимо отключался в результате мутаций в нескольких различных линиях. Таким образом, функциональный ген, скорее всего, присутствовал в общий предок этих линий, но позже был потерян несколько раз независимо», - объясняет первый автор Максимилиан Грисманн, докторант LMU, который в HMGU тесно сотрудничал с Мануэлем Шпаннаглом, Георгом Хаберером и Клаусом Ф. Майер, заведующий кафедрой геномики и системной биологии геномов растений HMGU, о генетическом анализе.«Эти результаты были совершенно неожиданными. Во многих наземных экосистемах низкая доступность азота является фактором, ограничивающим рост растений, поэтому можно было бы ожидать, что симбиоз будет связан с определенным избирательным преимуществом», - добавляет Парниске,.
По мнению авторов статьи, одной из возможных причин частого нарушения этих симбиозов является то, что корневые клубеньки могут быть захвачены паразитическими бактериями, которые конкурируют и потребляют соединения, обеспечиваемые растениями, не поставляя взамен азот. В этом случае потеря симбиоза должна рассматриваться как эволюционная адаптация, позволяющая растению избежать этой формы эксплуатации. Возможны и другие сценарии, при которых симбиоз больше не приносит пользы хозяину, например, постоянный избыток азота или ситуации, когда доступность других необходимых веществ, таких как вода или фосфаты, сдерживает рост растений.
В области синтетической биологии предпринимаются усилия по оснащению несимбиотических сельскохозяйственных культур способностью устанавливать симбиоз корней и клубеньков с целью снижения потребности в поставке связанного азота за счет применения экологически проблемных удобрений.«Наши результаты показывают, что эволюция оказывает избирательное давление на поддержание симбиоза корней и клубеньков, и будущие исследования должны учитывать этот фактор», - отмечает Майер..