Как бобовые снабжают симбиотические бактерии в корнях кислородом

Учёные обнаружили генетические механизмы в бобовых, которые контролируют производство молекулы, переносящей кислород. Эта молекула критически важна для тесных взаимоотношений растений с азотфиксирующими бактериями.

Открытие открывает потенциал для наделения других растений способностью получать аммиак от бактерий. Это может снизить потребность в применении синтетических удобрений, производство которых зависит от ископаемого топлива и загрязняет окружающую среду.

Корни бобовых растений являются домом для симбиотических бактерий. Эти бактерии могут фиксировать азот из воздуха, превращая его в аммиак — ключевое питательное вещество для растений.

Взамен растения предоставляют бактериям убежище в корневых клубеньках, снабжая их сахарами и кислородом. Количество кислорода должно быть строго сбалансировано: бактериям он нужен для энергетических реакций, но его избыток подавляет ключевой фермент, превращающий атмосферный азот в аммиак, пригодный для растения.

Решение растения для этого «кислородного парадокса биологической азотфиксации» — молекула под названием леггемоглобин. Подобно гемоглобину, который переносит кислород в нашей крови, леггемоглобин связывает кислород и имеет красный цвет; именно он придаёт клубенькам бобовых розовую окраску. До сих пор было неясно, как растения контролируют количество производимого леггемоглобина.

Исследовательская группа идентифицировала два фактора транскрипции, которые контролируют, сколько леггемоглобина производится в клубеньках бобовых.

«Это даёт ключевое понимание того, как бобовые растения создают микроаэробную среду, необходимую для азотфиксации. Эти знания могут быть полезны для улучшения азотфиксации у бобовых и будут необходимы для переноса процесса клубенькообразования на небобовые культуры», — поясняет автор-корреспондент доктор Джереми Мюррей, руководитель группы CEPAMS.

Исследование было проведено совместной группой под руководством доктора Суюй Цзян из группы доктора Джереми Мюррея в Центре передового опыта в области растениеводства и микробиологии (CEPAMS) Китайской академии наук в Шанхае, в сотрудничестве с коллегами из Франции.

Используя модельное бобовое растение Medicago truncatula, команда изучила семейство белков, несколько членов которого играют роль в клубенькообразовании. Они выяснили, какие белки этого класса производятся в симбиотических клубеньках, и обнаружили, что их два — NIN и NLP2. Когда эти белки неактивны, азотфиксация снижается, что указывало на их вовлечённость в процесс.

Для дальнейшего исследования растения выращивали в аэропонной системе без почвы, чтобы наблюдать за клубеньками. Было обнаружено, что растения без NIN и NLP2 были меньше по размеру, имели более мелкие и менее розовые клубеньки. Более пристальное изучение показало у них более низкий уровень леггемоглобина. Дальнейшие эксперименты подтвердили, что NIN и NLP2 напрямую активируют экспрессию генов леггемоглобина.

Исследование также дало представление об эволюции этого важного симбиоза. Учёные обнаружили, что другие члены семейства факторов транскрипции регулируют производство несимбиотических гемоглобинов у растений, которые участвуют в реакции на низкий уровень кислорода. Это говорит о том, что данные факторы транскрипции и их гемоглобиновые мишени были «рекрутированы» в процесс клубенькообразования как модули для улучшения энергетики азотфиксирующих клеток.

Исследование «NIN-like protein transcription factors regulate leghemoglobin genes in legume nodules» опубликовано в журнале Science.