Гены LSH, определяющие форму стеблей, цветов и листьев, необходимы для формирования клубеньков, фиксирующих азот
Ученые из Кембриджа определили два ключевых генетических фактора, необходимых для образования специализированных корневых органов, способных размещать азотфиксирующие бактерии у бобовых растений, таких как горох и фасоль.
Неожиданным образом оказалось, что регуляторы развития, определяющие идентичность этих органов — клубеньков — принадлежат к семейству транскрипционных факторов, обычно ассоциируемых с определением формы стеблей, цветов и листьев. Эти факторы широко распространены у растений, что указывает на то, что их функция спецификации клубеньков у бобовых — более позднее эволюционное приобретение.
Это важное открытие приближает нас на шаг к потенциальной возможности генной инженерии злаковых культур, не являющихся бобовыми (пшеница, рис, кукуруза), для развития корневых клубеньков, способных размещать азотфиксирующие бактерии, и снижению зависимости от промышленных азотных удобрений, производимых энергоемким процессом Габера-Боша.
Исследование, опубликованное в Current Biology под названием "Light-sensitive short hypocotyl genes confer symbiotic nodule identity in the legume Medicago truncatula", стало результатом сотрудничества ученых из Sainsbury Laboratory Cambridge University (SLCU), Crop Science Centre, John Innes Centre, Университета Фрайбурга, Университета штата Оклахома и Королевских ботанических садов Кью.
Исследование выявило два генетических фактора, названных LIGHT-SENSITIVE SHORT HYPOCOTYL (LSH1/LSH2), которые способствуют образованию специализированных корневых клеток, необходимых для превращения развивающейся структуры клубенька в подходящий дом для азотфиксирующих бактерий — то есть определяют идентичность органа-клубенька.
"Мы показали, что два представителя семейства транскрипционных факторов LIGHT SENSITIVE SHORT HYPOCOTYL (LSH) функционируют как регуляторы идентичности органа-клубенька", — сказала руководитель исследования доктор Катарина Шиссл. "LSH1/LSH2 запускают программу в корневой ткани, называемой корой, которая облегчает формирование группы клеток, способных к инфицированию и заселению бактериями на ранних стадиях развития клубенька".
В итоге исследование показывает, что корневые ткани могут быть перепрограммированы с помощью уже существующих программ побега. Предложена модель спецификации развития клубенька: активация цитокинином экспрессии NIN инициирует зачаток клубенька через индукцию LBD16, который активирует локальный биосинтез ауксина для запуска клеточных делений, аналогично инициации боковых корней. Активация генов LSH затем придает клубеньку его органную идентичность.
"Это открытие того, что бобовые используют уже существующие регуляторы развития и связанные с ними сети для создания специальных органов с новыми формами и функциями, имеет ключевое значение для будущей инженерии биологической фиксации азота", — отметила доктор Шиссл.
Определение идентичности симбиотического корневого клубенька
Исследователи обнаружили, что в определении идентичности корневого клубенька задействована перестройка уже существующих путей развития, функции которых сохраняются в надземных органах побегов как бобовых, так и небобовых растений.
Это согласуется с более ранними выводами доктора Шиссл о том, что растения повторно используют генетическую программу, применяемую для инициации боковых корней, также и для инициации корневых клубеньков. Новое исследование показало, что генетическая программа LSH1/LSH2, известная своим участием в работе меристем побега и границах органов листьев и цветов, была рекрутирована в корнях для определения идентичности клубенька.
"Мы показали, что LSH-гены напрямую способствуют клеточным делениям в коре корня, которые поддерживают колонизацию бактериями, и способствуют экспрессии ранее идентифицированных и хорошо известных генов идентичности органа-клубенька NOOT1/NOOT2 и NF-YA1", — заключила доктор Шиссл.