Горох и другие бобовые образуют сферические или цилиндрические структуры, называемые узелками, на своих корнях, чтобы установить взаимовыгодные отношения с бактериями, которые превращают атмосферный азот в полезное питательное вещество для бобовых растений. Симбиоз корневых клубеньков позволяет бобовым расти в условиях ограничения азота, в которых большинство небобовых растений не выживает. Исследователи в Японии теперь лучше понимают, как развивались симбиотические отношения.
Они опубликовали свои результаты в ноябре 2019 года в журнале Science.
«Мы решили понять, как бобовые приобрели способность образовывать корневые клубеньки, которые необходимы для установления симбиотических отношений между хозяином и азотфиксирующими бактериями», - сказал автор статьи Такаси Сояно из Национального института фундаментальной биологии. «Наши результаты проясняют, как бобовые приобрели способность образовывать корневые клубеньки».
Корневые узелки обычно образуются в ответ на действие бактерий, называемых ризобиями. Бобовые развили гены, которые специально сообщают клеткам-хозяевам о присутствии ризобий, вызывая образование корневых клубеньков, но было неясно, как эти генетические факторы могут запускать развитие этих корневых органов.
Исследователи исследовали развитие этого органа, используя модель бобовых, Lotus japonicus, и обнаружили, что это происходит через ген, участвующий в формировании боковых корней. Как правило, у растений развиваются боковые корни, которые расходятся, а не глубокие вертикальные корни, поскольку вода и питательные вещества, как правило, более плотные на поверхности почвы.
«Этот ген, называемый ASL18a, кооптирован из программ развития боковых корней, общих для большинства растений, для формирования корневых клубеньков в присутствии ризобий», - сказал Сояно..
Совместное действие двух генов, ASL18a и NF-Y, необходимо для индукции клеточного деления с образованием корневых клубеньков. Другой ген, называемый NIN, специально направляет ASL18a и NF-Y работать вместе, когда присутствуют ризобии. Согласно Сояно, ASL18a в бобовых обладает регуляторным элементом, который связывается с NIN и обеспечивает совместную работу между генами.
«Развитие корневых органов жестко регулируется посредством сложных взаимодействий между различными сигнальными компонентами и путями», - сказал Сояно. «Приобретение этого элемента могло привести к включению этого гена в формирование корневых клубеньков».
Далее Сояно и его команда планируют исследовать, как развитие боковых корней и пути, специфичные для симбиоза, влияют друг на друга, помогая формировать корневые клубеньки.
«Подробное исследование того, как эти два пути были интегрированы, может дать важную информацию для лучшего понимания эволюционных путей у бобовых растений». Сказал Сояно.
Он также отметил, что основной молекулярный механизм образования клубеньков может также присутствовать в других растениях, таких как томаты, и может привести к применению симбиоза клубеньков в устойчивой сельскохозяйственной практике.