Учёные обнаружили ключевое звено симбиоза бобовых растений и бактерий
Бобовые растения обладают уникальной способностью взаимодействовать с азотфиксирующими бактериями в почве, известными как ризобии. При недостатке азота между ними устанавливаются симбиотические отношения, позволяющие растению развиваться без внешних источников азота.
На корнях растения формируются симбиотические клубеньки, которые заселяются азотфиксирующими бактериями. Рецептор SYMRK (symbiosis receptor-like kinase) на поверхности клетки отвечает за передачу симбиотического сигнала — от восприятия ризобий до формирования клубенька. Механизм активации этого рецептора до недавнего времени был неизвестен.
В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, учёные идентифицировали четыре ключевых сайта фосфорилирования, которые действуют как катализатор симбиотических отношений. Начальные этапы симбиотического пути на поверхности клетки хорошо изучены, однако понимание того, как сигнал передаётся дальше, долгие годы ускользало от исследователей.
Это открытие — важный шаг на пути к переносу способности формировать симбиоз с азотфиксирующими бактериями на сельскохозяйственные культуры.
"Мы знали, что рецептор и его активность необходимы для установления симбиоза, но не понимали, как и почему. Фосфорилирование — это общий механизм регуляции активности киназ, поэтому мы предположили, что функция SYMRK связана с конкретными фосфорилированиями", — объясняет Николай Абель.
В сотрудничестве с лабораторией Оле Нёррегорда Йенсена из Университета Южной Дании было идентифицировано несколько сайтов фосфорилирования в различных областях киназы SYMRK. Исследователи сузили поиск до ключевых сайтов, подавляя или имитируя фосфорилирование in vivo. В частности, мутации четырёх сайтов в N-концевой области SYMRK давали сильные фенотипические проявления.
"Мы изучаем влияние сайт-специфичных мутаций, создавая варианты рецептора и возвращая их в растения, лишённые функционального рецептора SYMRK. Наблюдение либо спонтанного клубенькообразования без ризобий, либо его отсутствия при их наличии указывает, что мы нацелились на элемент, критически важный для симбиотического пути", — говорит Абель.
Чтобы понять, где расположены эти сайты, учёные определили структуру внутриклеточного домена SYMRK.
"Нам нужно было нанести сайты фосфорилирования на структурную модель киназы SYMRK, чтобы по-настоящему понять, как они обеспечивают передачу сигнала. Мы идентифицировали структурно консервативный мотив в N-концевой альфа-спиральной области, который назвали 'альфа-I мотив'. Именно в этой области находятся четыре консервативных сайта фосфорилирования", — поясняет Малита Нёргорд.
Цель — обеспечить симбиоз клубеньков у важных сельскохозяйственных культур
Долгосрочная цель — обеспечить симбиоз корневых клубеньков у важных культур, таких как ячмень, кукуруза и рис. Эти культуры требуют больших количеств азотных удобрений, что приводит к огромному углеродному следу (CO2) и не позволяет мелким фермерам получать стабильные урожаи.
Успешная идентификация сайтов фосфорилирования, критически важных для запуска программы клубенькообразования у бобовых, позволяет учёным надеяться, что новые знания открывают перспективы для переноса азотфиксирующих признаков на сельскохозяйственные культуры.