Цитокинины регулируют симбиоз бобовых с бактериями через систему "побег-корень"

Новое исследование показывает, что бобовые растения регулируют симбиотические отношения с почвенными бактериями с помощью цитокининов — сигнальных молекул. Эти молекулы передаются через структуру растения из листьев в корни, чтобы контролировать количество клубеньков, содержащих бактерии. Исследование провели учёные из Национального института фундаментальной биологии, Высшей университетской школы перспективных исследований (SOKENDAI) и Центра устойчивых ресурсов RIKEN в Японии.

Бобовые (чечевица, соя, арахис) могут процветать в бедных азотом почвах благодаря симбиозу с азотфиксирующими бактериями ризобиями. Бактерии инфицируют растения в специальных структурах — клубеньках на корнях. Однако производство и поддержание клубеньков требует энергии, что тормозит рост растения, поэтому бобовые также имеют механизмы для уменьшения их числа, когда это необходимо.

Известно, что регуляция этих клубеньков осуществляется в побегах растений, над землёй. Листья каким-то образом передают информацию в корни с помощью неизвестного химического механизма, сигнализируя о необходимости развития или сокращения клубеньков. Восходящий сигнал от корня к побегу осуществляется пептидами CLE-RS1 и CLE-RS2, но молекула, осуществляющая нисходящую сигнализацию, оставалась загадкой.

В этом исследовании, опубликованном в Nature Communications, группа на модели бобового растения Lotus japonicus показала, что нисходящая сигнализация осуществляется цитокинином (точная молекула ещё не идентифицирована), который передаётся в корни через сеть тканей флоэмы. Цитокинины — важные растительные гормоны, регулирующие многие аспекты роста и развития растений. Теперь к их функциям добавилась регуляция корневых клубеньков.

Регуляция происходит сложным образом:

1. Растения формируют клубеньки, обеспечивая среду для ризобий.
2. Инфицирование корней ризобиями запускает выработку определённых пептидов в корнях.
3. Восприятие этого сигнала рецепторной киназой HAR1 в побегах, предположительно, индуцирует выработку неидентифицированного ингибитора в побегах.
4. Этот ингибитор перемещается в корни и блокирует дальнейшее развитие клубеньков.

Исследователи показали, что сигнальный путь CLE-RS1/2-HAR1 активирует выработку цитокининов в побегах, которые системно подавляют клубенькообразование.

Это исследование, вместе с предыдущими результатами, ясно показывает, что цитокинины являются ключевыми сигнальными молекулами в межорганной коммуникации, обеспечивая сбалансированный рост и развитие растений, и открывает путь к идентификации точного цитокинина, участвующего в нисходящей сигнализации у Lotus japonicus.

По словам Хитоши Сакакибары, руководителя группы RIKEN: "Цитокинин был вовлечён в дальнюю сигнализацию от побега к корню в течение многих лет. Однако убедительных результатов не было получено в исследованиях на Arabidopsis, наиболее известном модельном растении. Теперь наше исследование на Lotus japonicus дало первые убедительные доказательства сигнальной функции цитокинина от побега к корню".