Группа ученых во главе с Национальной лабораторией Министерства энергетики Ок-Риджа обнаружила специфический ген, контролирующий важные симбиотические отношения между растениями и почвенными грибами, и успешно облегчила симбиоз в растении, которое обычно сопротивляется этому.
Открытие может привести к развитию биоэнергетических и продовольственных культур, которые могут выдерживать суровые условия выращивания, противостоять патогенам и вредителям, требовать меньшего количества химических удобрений и производить более крупные и обильные растения на акр.
Ученые в последние годы разработали более глубокое понимание сложных взаимоотношений растений с микоризными грибами. Когда они объединяются, грибы образуют оболочку вокруг корней растений с замечательными преимуществами. Грибковая структура простирается далеко от растения-хозяина, увеличивая поглощение питательных веществ и даже общаясь с другими растениями, чтобы «предупреждать» о распространении патогенов и вредителей. В свою очередь, растения снабжают грибок углеродом, что стимулирует его рост.
Считается, что эти микоризные симбиозы поддерживали древнюю колонизацию земли растениями, создавая успешные экосистемы, такие как обширные леса и прерии. По оценкам, 80% видов растений имеют микоризные грибы, связанные с их корнями.
Если мы сможем понять молекулярный механизм, контролирующий отношения между растениями и полезными грибами, то мы сможем начать использовать этот симбиоз для приобретения особых условий у растений, таких как устойчивость к засухе, патогенам, улучшение усвоения азота и питательных веществ и больше», - сказала молекулярный генетик ORNL Джесси Лаббе.«В результате растения вырастут больше и, например, будут нуждаться в меньшем количестве воды и удобрений».
Поиск генетических триггеров в растении, которые позволяют произойти симбиозу, был одной из самых сложных тем в области растений. Открытие, описанное в журнале Nature Plants, было сделано после 10 лет исследований в ORNL и партнерских организациях, изучающих способы производства более качественных биоэнергетических сырьевых культур, таких как Populus или тополь. Работа была завершена благодаря улучшениям за последнее десятилетие в геномном секвенировании, количественной генетике и высокопроизводительных вычислениях в сочетании с экспериментальной биологией.
Ученые изучали симбиоз, образованный некоторыми видами Populus и грибом Laccaria bicolor (L. bicolor). Команда использовала ресурсы суперкомпьютеров в Oak Ridge Leadership Computing Facility, пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики в ORNL, а также последовательности геномов, полученные в Объединенном институте генома Министерства энергетики, пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, чтобы сузить поиск конкретного рецепторного белка, PtLecRLK1. Как только они определили вероятный ген-кандидат, исследователи отправились в лабораторию, чтобы подтвердить свои выводы.
«Экспериментальная проверка является ключом к этому открытию, поскольку генетическое картирование выявило статистические связи между симбиозом и этим геном, но экспериментальная проверка дала окончательный ответ, что именно этот конкретный ген контролирует симбиоз», - говорится в сообщении ORNL. биолог Джей Чен.
Исследователи выбрали для своих экспериментов арабидопсис, растение, которое традиционно не взаимодействует с грибком L. bicolor и даже считает его угрозой. Они создали сконструированную версию растения, экспрессирующего белок PtLecRLK1, а затем инокулировали растения грибком. Гриб L. bicolor полностью покрыл кончики корней растения, образуя грибковую оболочку, свидетельствующую об образовании симбиота.
«Мы показали, что можем превратить человека, не являющегося хозяином, в хозяина этого симбионта», - сказал специалист ORNL по количественной генетике Веллингтон Мучеро.«Если мы сможем заставить арабидопсис взаимодействовать с этим грибком, то мы полагаем, что сможем заставить другие биотопливные культуры, такие как просо, или продовольственные культуры, такие как кукуруза, также взаимодействовать и приносить точно такие же преимущества. Это открывает всевозможные возможности в различных растительных системах. Удивительно., вам достаточно одного гена."
Ученые из Университета Висконсин-Мэдисон, Университета Лотарингии во Франции и Института биотехнологии HudsonAlpha в Алабаме также внесли свой вклад в проект. Работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики, Центром инноваций в области биоэнергетики (CBI) Министерства энергетики и его предшественником, Научным центром биоэнергетики (BESC). Одной из ключевых целей CBI является создание устойчивых сельскохозяйственных культур на основе биомассы с использованием геномики растений и инженерии. И BESC, и CBI разработали экспериментальные и вычислительные подходы, которые ускоряют идентификацию функции генов у растений.
«Это замечательное достижение, которое может привести к развитию биоэнергетических культур, способных выживать и процветать на маргинальных, несельскохозяйственных землях», - сказал директор CBI Джерри Тускан.«Мы могли бы нацелиться на 20-40 миллионов акров малоплодородной земли с выносливыми биоэнергетическими культурами, которым требуется меньше воды, что повысит перспективы успешной сельской экономики, основанной на биологическом обеспечении, обеспечивающей устойчивые альтернативы бензину и промышленному сырью».