Бобовые контролируют заражение клубеньков как симбиотическими, так и эндофитными бактериями

Новое исследование показывает, что растения бобовых избирательно регулируют доступ и заселение как симбиотических, так и эндофитных бактерий внутри корневого клубенька. Это создаёт основу для идентификации и отбора полезных эндофитных бактерий и высокоэффективных азотфиксирующих ризобий для использования в качестве биоудобрений в устойчивом сельском хозяйстве.

Растения выработали механизмы борьбы с патогенными бактериями, но вступают в полезные симбиотические ассоциации, допуская проникновение азотфиксирующих бактерий. Взаимодействие бобовых с симбиотическими ризобиями — хорошо изученный пример избирательной ассоциации. Однако инвентаризация бактериальных видов в клубеньках показала наличие сообщества из симбионтов и эндофитов. Присутствие слабых симбионтов или несимбионтов может негативно влиять на эффективность фиксации азота.

Для симбионтов известен сложный генетический механизм взаимного распознавания и заражения. О механизмах контроля эндофитной инфекции известно мало. Исследователи из Орхусского университета изучили вклад растения-хозяина и симбиотического микроба в заражение эндофитами и развитие смешанно заселённых клубеньков у Lotus japonicus.

Учёные продемонстрировали, что при воздействии смешанных бактериальных сообществ растения бобовых избирательно регулируют доступ и заселение бактерий в этой специализированной нише — корневом клубеньке.

Поддержание популяций высококонкурентных симбионтов в почве и обеспечение доминирования эффективных азотфиксирующих бактерий — серьёзная проблема, ограничивающая выращивание бобовых. Исследование показывает, что генетические ресурсы модельных бобовых в сочетании со стратегиями совместного инокулирования предоставляют надёжную основу для выявления генетических механизмов этой совместимости на границе раздела корня и растения.

Эти результаты можно использовать для отбора полезных микробов с улучшенной способностью к колонизации и выживанию внутри растений-хозяев.

Контекст

Растения развивают корневые системы в богатой микробами почвенной среде (более 10⁹ бактерий на грамм почвы) и имеют сложные механизмы микробного надзора. Только определённые микробы, так называемые «эндофиты», способны колонизировать внутренние ткани с минимальным ущербом для хозяина.

Корневой клубенёк бобовых — уникальный постембриональный орган, индуцируемый симбиотическими азотфиксирующими бактериями, но в котором обитают несколько видов, как симбиотических, так и эндофитных. Генетические исследования бинарного взаимодействия привели к открытию ключевых компонентов взаимного распознавания. В отличие от этого, знания об эндофитной инфекции клубеньков ограничены.

Исследователи сосредоточились на ранних стадиях инфекции клубеньков, чтобы определить, какие молекулярные сигнатуры и генетические компоненты способствуют заселению эндофитами и сосуществованию нескольких видов внутри клубеньков. Используя эксперименты по совместному инокулированию, они показали, что сложные взаимодействия хозяин-микроб и микроб-микроб можно изучать на растениях Lotus в контролируемых условиях. Результаты показали, что клубенёк бобовых — уникальная экологическая ниша с адаптированной программой для заселения совместимыми почвенными микробами, отобранными хозяином, и выявили несколько уровней совместимости, определяющих эффективность доступа и колонизации симбиотическими и эндофитными бактериями.