Учебники говорят нам, что в арбускулярных микоризных симбиозах растение-хозяин снабжает свои грибные симбионты исключительно сахарами в обмен на неорганические питательные вещества. Новые результаты исследований Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене теперь показывают, что липиды также включены в меню.
Более 80% всех наземных растений живут в так называемых арбускулярных микоризных симбиозах с грибами, колонизирующими их корневую систему. Грибы поглощают неорганические питательные вещества из почвы, в основном фосфор и азот, и передают их растению. Согласно господствующему мнению, хозяин предоставляет своим благодетелям богатые энергией органические соединения, в частности углеводы, в обмен на эту услугу. Исследовательская группа биолога LMU Кэролайн Гутьяр в сотрудничестве с исследовательскими группами во главе с Питером Дёрманном (Боннский университет), Вольфгангом Айзенрайхом (Технический университет Мюнхена) и ее коллегой из LMU Мартином Парниске теперь показала, что растение вносит больше, чем просто сахара в взаимосвязь: он также доставляет необходимые липиды своему грибковому партнеру. Новые результаты опубликованы в онлайн-журнале eLife..
Липиды, то есть жирные кислоты и их производные, незаменимы для образования биологических мембран, а также служат в качестве соединений-аккумуляторов энергии. Как таковые, они имеют решающее значение для выживания всех организмов. «Однако недавняя работа показала, что по крайней мере у некоторых грибов-партнеров в симбиозе арбускулярной микоризы отсутствуют гены ферментов, участвующих в основном пути биосинтеза липидов, и поэтому они не могут производить определенные незаменимые жирные кислоты», - объясняет Гутьяр. «В нашем исследовании мы использовали два мутантных штамма модельного растения Lotus japonicus, чтобы выяснить, активно ли растение-хозяин восполняет этот недостаток. L. japonicus принадлежит к семейству Leguminosae, к которому также принадлежат клевер, горох, фасоль и чечевица. Каждый из мутантов, выделенных группой Гутьяра, дефектен в гене, играющем важную роль в синтезе жирных кислот. и биосинтез фосфолипидов. Удивительно, но эти штаммы содержат значительно меньшее количество микоризных грибковых колоний, чем их аналоги дикого типа. В частности, сильно разветвленные древовидные грибковые структуры, называемые арбускулами, обычно находящиеся внутри клеток корня хозяина, которые необходимы для обмена питательными веществами - остаются недоразвитыми.
Сравнительный анализ ряда жирных кислот и липидов, присутствующих в инфицированных корнях растений-хозяев дикого типа и мутантов, показал, что некоторые специфичные для грибов жирные кислоты либо отсутствуют, либо их уровни резко снижены в колонизированных корнях мутантные штаммы L. japonicus. «Это говорит о том, что грибковые симбионты, которые колонизируют растения с дефицитом биосинтеза липидов, страдают от нехватки основных липидов», - говорит Андреас Кеймер, аспирант в группе Гутьяра и первый автор нового исследования. Последующие эксперименты по мечению с использованием стабильного изотопа углерода 13C показали, что хозяева L. japonicus дикого типа действительно непосредственно обеспечивают грибки необходимыми липидами. Другими словами, они не синтезируются грибком из углеродных скелетов сахаров, доставленных хозяином.
Исследователи предполагают, что гриб использует липиды растения в первую очередь для быстрого роста обширной и сильно разветвленной сети гиф вне корня, которую он использует для поглощения минералов из почвы. Также для образования спор требуется большое количество этих соединений, вероятно, потому, что спорам необходимо хранить много липидов для поддержки нового прорастания и роста грибковых нитей (гиф), которым сначала нужно достичь нового корня, прежде чем они снова получат доступ к растительным липидам. Гутьяр и ее команда теперь сосредоточатся на выяснении того, как липиды, синтезируемые растением, транспортируются к симбионту. «Кроме того, также важно определить соотношение сахаров и липидов, доступных для грибка», - говорит она. Поскольку синтез липидов более затратен, чем производство углеводов, этот параметр влияет на общее количество энергии, затрачиваемой растением на поддержание симбиоза. Таким образом, лучшее понимание роли биосинтеза липидов в этом типе симбиоза может помочь в выборе растений-хозяев, которые могут оптимально использовать свои отношения со своими грибковыми партнерами, что может принести пользу устойчивому сельскому хозяйству.