Функциональная геномная база данных для изучения микробиома растений
Растущее население планеты, которое, по оценкам, достигнет почти 10 миллиардов к 2050 году, увеличивает потребность в повышении урожайности сельскохозяйственных культур и производстве достаточного количества растительного материала как для пищи, так и для устойчивых альтернативных видов топлива. Чтобы улучшить стратегии селекции растений и преодолеть такие проблемы, как повышение их устойчивости к малоплодородным землям, засухе и низкой доступности питательных веществ, исследователи сосредотачиваются на понимании и поддержке полезных взаимоотношений растений и микробов.
В выпуске журнала Nature Genetics от 18 декабря 2017 года команда под руководством исследователей из Объединенного института генома (JGI) Министерства энергетики США и Медицинского института Говарда Хьюза при Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл (UNC) использовала каталог бактериальных геномов для идентификации и характеристики генов-кандидатов, которые помогают бактериям адаптироваться к растительной среде, в частности генов, участвующих в колонизации корней.
Большинство исследований в этой области до сих пор было сосредоточено на структуре сообщества микробиома растений («кто там есть»), а не на его функции («что они делают, как и когда они это делают»). Предыдущие исследования, рассматривавшие функцию, в основном изучали единичное взаимодействие хозяина и микроба, например, между растением Arabidopsis и патогеном.
«Если мы хотим сконструировать правильный микробиом для поддержки роста растений, нам нужно понимать реальную функцию микробиома, а не просто секвенировать гены-маркеры», — сказал соавтор исследования Асаф Леви. — «Здесь мы использовали масштабные геномные и вычислительные усилия, чтобы ответить на фундаментальный вопрос: "Как микробиом растения взаимодействует с самим растением?"»
Большая часть взаимодействия микробов и растений происходит на границе корней и почвы. Исследователи из UNC, Национальной лаборатории Ок-Ридж и Института Макса Планка выделили новые бактерии из корневой среды растений семейства Brassicaceae (191), тополей (135) и кукурузы (51). Геномы этих 377 бактериальных изолятов, а также дополнительно 107 отдельных бактериальных клеток из корней A. thaliana, были секвенированы, собраны и аннотированы в JGI.
Затем авторы объединили новые геномы с тысячами общедоступных геномов, представляющих основные группы бактерий, ассоциированных с растениями, и включили для сравнения бактерии из различных растительных и нерастительных сред, например, из кишечника человека. Получившаяся база данных из 3837 геномов, 1160 из которых — растительные, была использована для сравнительного геномного анализа.
Исследователи идентифицировали гены, обогащенные в геномах организмов, ассоциированных с растениями и корнями.
«Для нас очень важно понять, какие гены и функции микробы используют для колонизации растений, потому что только тогда у нас может появиться возможность рационально разработать полезные "растительные пробиотики", чтобы помочь выращивать больше продовольственных и энергетических культур с меньшим использованием химических ресурсов, таких как удобрения, пестициды или фунгициды», — сказал старший автор исследования Джефф Дангл.
Среди ключевых результатов исследования было то, что геномы, ассоциированные с растениями и почвой, как правило, больше, чем контрольные геномы из того же клада. Отчасти это связано с обогащением генов, участвующих в метаболизме и транспорте сахаров, что, вероятно, является адаптацией к углероду растительного происхождения от фотосинтеза, который Асаф Леви назвал «конфетными фабриками» природы. До 20% углерода, фиксируемого растениями в процессе фотосинтеза, выделяется через корни в виде сахаров для привлечения микробов.
Также были идентифицированы многочисленные гены, которые, по-видимому, имитируют функции растений, кодируя «Растительно-подобные PA и RA домены» (PREPARADOs). «Хорошо известно, что фитопатогены используют белки, имитирующие растительные домены, необходимые для работы иммунной системы», — сказал Дангл. — «Представьте, что патоген вводит прямо в растительную клетку белок, который имитирует часть определенной иммунной машины. Это похоже на вставку частично дефектной шестеренки в колесо — колеса больше не могут вращаться. Мы полагаем, что идентифицированные нами домены белков, ассоциированных с растениями, могут работать таким же образом».
Быстро эволюционирующие гены часто являются признаком молекулярной «гонки вооружений» между организмами, разделяющими среду обитания. Эти гены часто используются для нападения или защиты от других организмов. В исследовании были идентифицированы два новых быстро эволюционирующих семейства белков, связанных с разными «образами жизни» родственных бактерий, ассоциированных с растениями. Одно, обнаруженное у комменсальных бактерий, было названо «Джекил»; другое, найденное у патогенных бактерий, — «Хайд». Ученые JGI в сотрудничестве с коллегами из Виргинского политехнического института и ETH (Швейцария) обнаружили, что последние очень эффективно убивают конкурирующие бактерии, потенциально помогая «Хайдам» захватить нишу на листе.
Полный каталог новых геномов и генов, ассоциированных с растениями, доступен научному сообществу через специальный веб-портал: Genomic Features of Bacterial Adaptation to Plants.
«База данных — это ценный ресурс для научного сообщества, изучающего взаимодействия растений и микробов, поскольку она представляет собой беспристрастный способ выявления потенциально интересных генов, участвующих во взаимодействии с растением, включая множество совершенно новых генов. В настоящее время мы экспериментально изучаем функцию многих из этих генов, чтобы лучше понять функциональные аспекты микробиома растений», — сказал Леви.