Учёные разрешили 125-летний спор о проникновении азотфиксирующих бактерий в бобовые
125-летний спор о том, как азотфиксирующие бактерии проникают через клеточные стенки бобовых растений, разрешён. Исследование учёных из John Innes Centre показывает, что растения сами позволяют бактериям попасть внутрь.
Попав в нужные клетки, бактерии берут азот из воздуха и поставляют его бобовым в пригодной форме — аммиаке. Спор о том, проникают ли бактерии через клеточную стенку, производя разрушающие её ферменты, или растение делает эту работу за них, длился с 1887 года.
"Наши результаты настолько ясны, что мы можем однозначно утверждать: растение само поставляет ферменты для разрушения собственных клеточных стенок и доступа бактерий", — заявил профессор Аллан Дауни, ведущий автор из John Innes Centre.
Эти открытия — часть исследований по полному пониманию симбиоза, позволяющего бобовым быть крупнейшими производителями естественного азотного удобрения в сельском хозяйстве. Производство азотных удобрений для небобовых культур потребляет больше ископаемого топлива, чем любой другой сельскохозяйственный процесс. После внесения они выделяют закись азота — парниковый газ, примерно в 300 раз мощнее диоксида углерода.
Бобовые обходят обе проблемы благодаря симбиозу с почвенными ризобиальными бактериями. Конечная цель — позволить небобовым, и, возможно, даже злакам вроде пшеницы и риса, развить такой симбиоз и получать азот из воздуха, как бобовые.
"Тот факт, что бобовые сами управляют процессом, — великолепное открытие, но оно также показывает сложность задачи по переносу этого процесса на небобовые", — сказал Дауни.
Растения дают ризобиальным бактериям пропуск, но допускают только контролируемое вторжение, а не доступ ко всем областям.
Клеточная стенка растения, построенная из углеводов, включая пектин, трудно проницаема. Ризобиальные бактерии сигнализируют бобовому о своём присутствии, и растение производит пектатлиазу — фермент, разрушающий пектин и позволяющий ризобиям пройти через одну стенку. Но это не открытая дверь для патогенных бактерий, существуют строгие контроли доступа.
Бактерии побуждают растение построить туннель через следующую клеточную стенку и так далее, пока бактерии не достигнут корня, где будут обитать. Расту вдоль туннеля, они не могут выйти за его пределы, что гарантирует защиту растения. Туннель также служит барьером против проникновения чужеродных бактерий, маскирующихся под ризобии.
Достигнув клеток нужного типа, бактериям позволяют выйти из туннеля. Растение формирует на корнях клубеньки для размещения бактерий, где те конвертируют атмосферный азот для растения. Растение доставляет это важнейшее питательное вещество в листья, где оно способствует росту и фотосинтезу.
"Есть две основные задачи в понимании того, как растения способствуют фиксации азота, — сказал Дауни. — Во-первых, как растение создаёт клубеньки с клетками, в которые могут быть доставлены бактерии, и, во-вторых, как бактерии попадают в эти клетки клубеньков?"
Опубликованные в PNAS результаты способствуют пониманию второго вопроса.
"Предстоит преодолеть ещё много препятствий, но наши результаты раскрывают ключевой этап в развитии симбиозов азотфиксации".