Без микробиома никуда: симбиоз бобовых с ризобиями влияет на бактериальное сообщество в корнях

Некоторые растения могут удовлетворять свои потребности в азоте, получая его из атмосферы. Для этого они используют бактерии в своих корнях, с которыми устанавливают симбиотические отношения. Исследовательская группа Пауля Шульце-Леферта из Института селекции растений Общества Макса Планка в Кёльне и Симоны Радуцойу из Орхусского университета в Дании изучила микробные сообщества в корнях таких растений и вокруг них. Они обнаружили, что отсутствие симбиоза бобовых с ризобиями вызывает резкие изменения в составе микробных сообществ в корне. Эти изменения остаются стабильными даже в условиях, когда образование клубеньков невозможно, потому что растение получает достаточно связанного азота из почвы. Набор генов в растении-хозяине необходим для установления функционирующего симбиоза, и те же самые гены нужны для формирования необычайно стабильных и характерных микробных сообществ в клубеньках, корне и области вокруг корня. Таким образом, эти гены растений напрямую влияют на состав корневого микробиома.

Все растения нуждаются в азоте для роста, но не могут получать его непосредственно из атмосферы. Они используют только связанный азот в форме нитрат- или аммоний-ионов, которые получают из почвы или через внесение азотных удобрений. Однако одно семейство растений — бобовые — развило способность получать азот через симбиоз с естественными почвенными бактериями. Чтобы разместить этих бактерий, бобовые создают специализированные корневые органы, известные как клубеньки. Симбионты, известные как ризобии, преобразуют атмосферный азот в клубеньках в азотистые соединения, доступные растению.

Шульце-Леферт, Радуцойу и их коллеги Рафал Згадзай и Рубен Гарридо-Отер использовали в качестве модели бобовое растение, произрастающее в Японии (Lotus japonicus), и составили инвентаризацию микробиомов, ассоциированных с корнями, у дикого типа и четырёх мутантов. «Мы смогли показать, что при потере симбиоза по крайней шесть различных обильных бактериальных порядков становятся почти необнаружимыми в корне», — говорит Гарридо-Отер. «Вместо этого потеря симбиоза приводит к накоплению некоторых из этих бактериальных порядков в ризосфере, то есть в области вне корня. Похоже, что у этих бактерий больше нет молекулярного «билета», который позволил бы им проникнуть в корень», — объясняет он.

Учёные пока не знают, какой из сигналов, связанных с симбиозом, действует как молекулярный билет для входа в корень, однако драматические и стабильные изменения в микробиоме явно являются результатом того, что симбиоз больше не функционирует. Более того, учёные смогли показать, что клубеньки и корни заселяются бактериями не последовательно, а одновременно. Таким образом, бактерии не мигрируют из одной области в другую, а целенаправленно ищут корни и клубеньки, не делая обходных путей.

У команды учёных, работающих со Шульце-Лефертом и Радуцойу, есть два возможных объяснения этим находкам. Возможно, ризобии сопровождаются целой свитой бактерий-помощников, когда мигрируют к корням и клубенькам в ходе симбиоза. Однако также возможно, что сигнальные молекулы, с помощью которых корни привлекают бактерии клубеньков из почвы, также привлекают другие бактерии, не имеющие отношения к самому симбиозу, но использующие тот же сигнал для получения доступа к растению.

Выводы примечательны по двум причинам: «Поскольку Lotus japonicus в отсутствие симбиоза остаётся меньше и бледнее, чем дикий тип, и поскольку этот задержанный рост не может быть адекватно компенсирован азотным удобрением, вероятно, что этот фенотип напрямую связан с микробным сообществом, типичным для мутантов», — говорит Гарридо-Отер. «Без генов и генетических продуктов для интактного симбиоза устанавливается микробиом, который не поддерживает максимальный рост растения».

Поскольку бобовые часто используются в сельском хозяйстве в качестве промежуточных культур для улучшения содержания азота в почве, значение этих выводов выходит за рамки фундаментальных исследований. До сих пор считалось, что симбиоз опосредован только ризобиями внутри клубеньков бобовых. Теперь же, однако, кажется, что симбиоз также вовлекает характерные микробные сообщества, обнаруженные в корне и ризосфере. Исходя из этого, недостаточно инокулировать семена бобовых только ризобактериями, как это практикуется сейчас: их также следует инокулировать соответствующими бактериями из корневого микробиома.