Расшифровка симбиотического кода: как бобовые и ризобии находят друг друга

В исследовании, опубликованном в Science, ученые впервые определили высокоразрешенную кристаллическую структуру комплекса, образованного белком NodD ризобий гороха и флавоноидным соединением гесперетином. Работа раскрывает механизм, с помощью которого NodD распознает флавоноиды, и выявляет ключевые структурные элементы, определяющие специфичность этой сигнальной реакции.

Корневые клубеньки, образующиеся в результате симбиоза бобовых растений (например, сои и люцерны) и почвенных бактерий ризобий, служат высокоэффективными природными фабриками азотных удобрений. Растение поставляет бактериям углерод, а ризобии фиксируют атмосферный азот, превращая его в доступную для растения форму.

Корни бобовых находятся в сложной среде, окруженные множеством видов ризобий и других бактерий. Как растение позволяет проникнуть в корень и сформировать клубенек только «совместимым» ризобиям?

Известно, что корни бобовых выделяют химический сигнал — флавоноиды, который распознается бактериальным транскрипционным фактором NodD. Хотя роль NodD в специфичности симбиоза была известна, механизм точного распознавания им флавоноидных сигналов оставался загадкой.

Исследовательские группы под руководством Джереми Мюррея и Чжан Юя из Центра передового опыта в области молекулярных наук о растениях (CEMPS) Китайской академии наук вместе с коллегами обнаружили, что лиганд-связывающий домен белка NodD из ризобий гороха распознает гесперетин с помощью двух связывающих карманов: один расположен внутри мономера белка, а другой — на границе раздела димера.

Такая конформация связывания наблюдается впервые среди известных транскрипционных регуляторов семейства NodD.

Дальнейший анализ показал, что NodD содержит три ключевые активационные области со специфическими критическими аминокислотами. Вместе они формируют «связывающий карман», который вмещает такие молекулы, как гесперетин (флаванон), но не другие классы флавоноидов, например, изофлавоны или птерокарпаны. Это дает структурное объяснение, почему NodD активируется только определенными флавоноидами.

Ученые также сравнили белки NodD из ризобий люцерны и гороха. Несмотря на 80% общее сходство последовательностей, их «предпочтения» к разным флавоноидам сильно различаются: NodD гороха реагирует в основном на флаваноны/флавоны, а NodD люцерны — на халконы.

С помощью экспериментов по замене доменов и точечных мутаций были идентифицированы несколько ключевых аминокислот в критических активационных областях. Именно эти специфические аминокислотные остатки определяют способность ризобий реагировать на разные типы флавоноидов.

Зачем нужна такая специфичность? Ученые предполагают, что эта точная настройка — результат миллионов лет коэволюции в перекрывающихся местах обитания.

Для обеспечения успешного партнерства каждый вид точно идентифицирует свой предпочтительный штамм ризобий через систему взаимного «двойного замка и ключа»: бактерии распознают уникальный флавоноидный сигнал растения, а растение, в свою очередь, распознает специфический ответный сигнал бактерий. Это предотвращает ошибки, когда рядом растут разные виды бобовых.

Исследование отвечает на вопрос, как бобовые растения и ризобии достигают специфического распознавания сигналов через флавоноиды и NodD. Оно открывает путь для конструирования эффективных, специфичных для культуры «индивидуальных» ризобий с усиленной азотфиксацией. В перспективе это может помочь распространить азотфиксирующий симбиоз на небобовые культуры, такие как рис и кукуруза, что снизит зависимость сельского хозяйства от химических азотных удобрений.