Генетическая дупликация управляет симбиозом бобовых и азотфиксирующих бактерий

Исследователи обнаружили, что ключевую роль в формировании симбиотических структур между бобовыми растениями и азотфиксирующими бактериями в корнях играет дупликация (удвоение) определённых генов. Статья с результатами опубликована в журнале Nature Plants 31 октября.

Проблема азота и значение симбиоза

• Азот — жизненно важный элемент, входящий в состав аминокислот, белков и нуклеиновых кислот (ДНК, РНК).
• Хотя 80% атмосферы состоит из газообразного азота (N₂), почти все организмы не могут его усваивать из-за прочной тройной связи в молекуле.
• Только азотфиксирующие бактерии (ризобии) способны превращать N₂ в аммиак (NH₃), доступный для растений.
• Бобовые (горох, фасоль, чечевица) образуют с ризобиями симбиоз: бактерии проникают в клетки корней, формируя клубеньки, и обменивают аммиак на питательные вещества растения.
• Для большинства сельскохозяйственных культур, не способных к такому симбиозу, требуются удобрения. Их производство (процесс Габера–Боша) — крупный источник CO₂, а применение ведёт к загрязнению водоёмов азотом.

Загадка формирования симбиосомы

Внутри клеток бобовых ризобии заключаются в мембрану, образуя симбиосому — органеллоподобную структуру для фиксации азота. Роль цитоскелета и центральной вакуоли растения в этом процессе была известна, но механизмы оставались неясными.

Ключевая находка: дупликация гена KCBP

• Учёные сосредоточились на генах, кодирующих KCBP (kinesin-like calmodulin-binding protein) — белок, уникальный для растений и связанный с движением по микротрубочкам.
• С помощью анализа BLAST они обнаружили, что в геноме бобового растения Medicago truncatula (бочковой клевер) произошла дупликация этих генов.
• Активность дуплицированных генов KCBP оказалась специфически связана с взаимодействием растения и ризобий на стадии формирования инфекционных нитей и симбиосомы.
• Филогенетический анализ показал, что такая дупликация генов KCBP встречается только у бобовых, способных образовывать симбиосомы.

Предполагаемый механизм

Исследователи полагают, что ризобии «захватывают» дуплицированный KCBP растения, чтобы направлять сшивание микротрубочек внутри клетки. Это позволяет контролировать формирование центральной вакуоли в симбиотических клетках и, как следствие, развитие симбиосомы.

Остающиеся вопросы

Дальнейшие цели команды:

• Выявить факторы, активирующие дуплицированные гены KCBP.
• Найти другие гены, совместно регулирующие приём ризобий в клетке.
• Изучить химическую сигнализацию между растением и бактерией для управления симбиозом.