Повторное изучение истоков грибных симбиозов
Растения взаимодействуют со многими видами грибов и других микроорганизмов, что влияет на здоровье растений, их устойчивость к стрессам и глобальный углеродный цикл.
Микоризные грибы живут в корнях растений-хозяев, обменивая сахара от фотосинтеза на минеральные питательные вещества из почвы. Они важны для здоровья деревьев — кандидатов в сырьевые культуры для биоэнергетики — и играют значительную роль в секвестрации углерода в почве.
Чтобы понять основу симбиотических отношений грибов с растениями, команда исследователей из DOE JGI под руководством Игоря Григорьева совместно с INRA и Университетом Кларка провела первый широкий сравнительный филогеномный анализ микоризных грибов. В исследовании использовались 49 грибных геномов, 18 из которых были секвенированы специально для этой работы. 13 из новых геномов принадлежали микоризным грибам, включая эктомикоризные виды.
В выпуске Nature Genetics от 23 февраля 2015 года исследователи описывают, как сравнительный анализ этих геномов позволил проследить эволюцию микоризных грибов. Результаты помогают понять, как развивались симбиотические отношения между растениями и грибами.
Отталкиваясь от ранее секвенированных микоризных грибов
«Микоризные симбиозы высоко сложны, но анализ 49 геномов указывает на то, что они независимо эволюционировали во многих грибных линиях», — сказал Фрэнсис Мартин из INRA.
Чтобы понять генетические сдвиги, лежащие в основе повторяющегося возникновения микоризного образа жизни, исследователи сосредоточились на ферментах, расщепляющих клеточные стенки растений, из 16 семейств генов. Они отталкивались от первых секвенированных эктомикоризного гриба Laccaria bicolor и арбускулярного микоризного гриба Rhizophagus irregularis — вся работа выполнена в DOE JGI.
С помощью анализа «молекулярных часов», который сочетает молекулярные данные геномного масштаба с калибровкой по окаменелостям, команда смогла оценить, когда сапротрофные и мутуалистические линии в последний раз имели общего предка.
Анализ грибных геномов и окаменелостей показал, что по сравнению с грибами бурой и белой гнили, которые эволюционировали более 300 миллионов лет назад, эктомикоризные грибы появились относительно недавно от нескольких видов и затем распространились по линиям менее 200 миллионов лет назад. Команда также обнаружила, что до 40% генов, индуцируемых симбиозом, были ограничены одним микоризным видом.
Эволюция грибов для расщепления клеточных стенок растений
Дэвид Хиббетт из Университета Кларка сравнил эту работу с предыдущим исследованием эволюции грибов белой гнили, способных расщеплять целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин в растениях. До появления грибов белой гнили сотни миллионов лет назад грибы не могли расщеплять лигнин, и неразложившаяся растительная масса стала основой крупных угольных месторождений.
«Вместе эти исследования рассказывают историю о том, как грибы, образующие плодовые тела, развили сложный механизм разрушения клеточных стенок растений при «белой гнили», а затем отбросили его после эволюции микоризных ассоциаций, а также альтернативного механизма разложения «бурой гнили», — сказал Хиббетт. — Другая важная часть истории заключается в том, что в микоризных линиях наблюдается огромный оборот генов, экспрессия которых повышается при симбиозе, — у многих из них нет гомологов даже у близкородственных видов, что позволяет предположить, что эволюция симбиоза связана с массовыми генетическими инновациями».
Мартин добавил: «Многие из этих генов, вероятно, используются для контроля иммунитета растений во время массивной колонизации корневых тканей грибом».
Игорь Григорьев из DOE JGI также отметил: «Это первое крупномасштабное исследование микоризной геномики также является первым шагом к более широкому и глубокому изучению микоризного разнообразия, их взаимодействий с растениями-хозяевами и роли в лесных экосистемах с помощью геномных инструментов, которые являются основными направлениями Программы грибной геномики JGI».