Среди многих неуловимых граалей сельскохозяйственной биотехнологии способность связывать азот небобовыми растениями, такими как злаки, занимает одно из первых мест.
Это огромная проблема, потому что бобовые сотрудничают с бактериями, называемыми ризобиями, в симбиотическом вальсе, который позволяет растениям получать пропитание из воздуха и преодолевать потребность в экологически вредных химических удобрениях. Естественный процесс занимает центральное место в практике севооборота, широко используемого для предотвращения истощения почвы такими культурами, как кукуруза, которые зависят от применения синтетических удобрений.
Тот факт, что два разных и очень далеких друг от друга организма - растение и бактерия - могут объединиться для извлечения из атмосферы азота, необходимого для поддержания жизни, является лишь одной из проблем, с которыми сталкиваются инженеры-растениеводы, стремящиеся придать это качество другим важным культурам.
Ответ на вызов, однако, может быть на один большой шаг ближе с публикацией массивного атласа растительных и бактериальных белков в игре, поскольку симбиотический процесс разыгрывается между растением и микробом.
В своей статье в журнале Nature Biotechnology группа из Университета Висконсин-Мэдисон подробно описала более 23 000 растительных и бактериальных белков и молекулярный контроль, с помощью которого они осуществляют благотворное взаимодействие. В атласе, возможно, самом исчерпывающем протеомном реестре на сегодняшний день, показано в мельчайших деталях взаимодействие белков, когда ризобии колонизируют корневые клубеньки на модели бобовых Medicago truncatula.
«Мы можем заглянуть в протеом глубже, чем когда-либо прежде», - объясняет Джошуа Кун, профессор биомолекулярной химии и химии из Университета Вашингтона в Мэдисоне и соавтор нового атласа. «Мы можем использовать технологии, чтобы получить беспрецедентное представление об этих белках».
Эта новая картина, говорит он, доводит наше понимание механики фиксации азота до беспрецедентного уровня детализации. Поскольку белки регулируются генами, новый атлас, в конечном счете, может помочь разработать стратегию внедрения азотфиксирующей способности бобовых в другие растения.
«Связывание информации о белках с генетическими сетями важно», - отмечает Жан-Мишель Ане, профессор бактериологии из Университета Вашингтона в Мэдисоне, также являющийся автором нового доклада. «Это позволяет нам видеть закономерности, сопоставляя экспрессию генов с белками».
Новый атлас был составлен с использованием новой мощной технологии масс-спектроскопии, говорит Кун, ведущий специалист в области техники, которая позволяет ученым разбирать образец на множество составляющих его компонентов и измерять их в мельчайших деталях.«Сложность измерения количества белков в образце ошеломляет, - говорит Кун. «Знания о генах недостаточно. Существуют миллионы и миллиарды способов модификации белков, чтобы дать им новую миссию. Вся эта информация на белковом уровне является новой, и мы можем глобально взглянуть на все эти молекулы и то, как они изменяются и делают некоторые прогнозы относительно функции."
Новое исследование, поддержанное в основном за счет грантов Национального научного фонда, возглавил Харальд Маркс, научный сотрудник Центра генома Университета Вашингтона в Мэдисоне; и Кэтрин Миноуг, бывшая аспирантка химического факультета Университета Вашингтона в Мэдисоне. Майкл Сассман, профессор биохимии Университета Вашингтона в Мэдисоне, и Сушмита Рой, профессор биостатистики и медицинской информатики, также внесли свой вклад в исследование.
Исследователи из Висконсина подчеркивают, что, хотя новый атлас белков будет важным шифром для расшифровки молекулярных деталей симбиоза азотфиксации, цель передачи признака другим растениям, кроме бобовых, остается в далеком будущем.
Висконсинская работа была проведена с использованием модели бобовых Medicago truncatula и ее ризобиального симбионта Sinorhizobium meliloti, системы, разработанной для генетических исследований около 20 лет назад.
«Это очень близкий родственник люцерны», - говорит Ане, ссылаясь на бобовые, широко используемые в сельском хозяйстве как часть системы севооборота.