Ученые определили ключевые гены для колонизации корней растений микробами

Некоторые микробы могут формировать тонкие пленки — биопленки. Они дают им преимущество, защищая от стрессов, таких как нехватка питательных веществ или наличие вредных веществ. Исследователи часто изучают биопленки патогенов, которые помогают им сопротивляться антибиотикам. Однако некоторые биопленки могут быть полезны растениям и другим организмам-хозяевам.

Ранее было обнаружено, что бактерия, способствующая росту растений, Pantoea sp. YR343, формирует устойчивые биопленки на поверхности корней тополя (Populus). О механизмах формирования таких биопленок, особенно на генетическом уровне, известно мало. Однако исследования показали, что ключевую роль играют ферменты дигуанилатциклазы.

Новое исследование идентифицировало конкретную дигуанилатциклазу, DGC2884, которая экспрессируется именно в присутствии растений, когда бактерии колонизируют корни и формируют биопленки.

Роль DGC2884 и генетический контроль

• DGC2884 действует специфично во время формирования биопленки и вблизи растения.
• Дигуанилатциклазы контролируют множество процессов у бактерий: образование биопленок, способность вызывать болезни и подвижность.
• Исследование также выявило гены, потенциально вовлеченные в колонизацию корней, что указывает на генетический контроль этого процесса.

Методы и результаты исследования

Ученые использовали промотор-репортерные конструкции, чтобы обнаружить экспрессию DGC2884 в присутствии растения. Дальнейшая характеристика фермента показала, что его сверхэкспрессия влияет на:

• производство экзополисахаридов,
• формирование биопленки,
• подвижность бактерий,
• формирование пелликулы (пленки на поверхности жидкости).

Было доказано, что для активности DGC2884 необходимы N-концевой трансмембранный домен и функциональный активный сайт GGDEF.

На основе фенотипов, связанных со сверхэкспрессией DGC2884, ученые провели транспозонный мутагенез, чтобы найти гены, которые перестали проявлять эти уникальные фенотипы. Скрининг выявил 58 различных генов.

Влияние мутаций на колонизацию

Характеристика части мутантов показала:

• Мутации, затрагивающие секрецию VI типа, а также нуклеозиддифосфаткиназу и ABC-транспортер, привели к увеличению колонизации.
• Мутации, влияющие на производство экзополисахаридов, вызвали снижение колонизации (по сравнению с контролем дикого типа).
• Некоторые мутанты демонстрировали различия в первую очередь в рисунке колонизации корней, а не в ее количестве. Это говорит о том, что определенные паттерны колонизации могут регулироваться на генетическом уровне.

Исследование поможет микробиологам лучше понять, как бактерии колонизируют корни растений и какую роль играет экспрессия генов. Результаты также могут быть полезны для изучения схожего поведения микробов, важных для медицины и сельского хозяйства.

Исследование опубликовано в журнале PLOS ONE.