Растения-хозяева перепрограммируют свои корневые клетки для симбиоза с азотфиксирующими бактериями

Чтобы вступить в симбиоз с азотфиксирующими бактериями, растения-хозяева перепрограммируют свои корневые клетки. Команда LMU идентифицировала кальций-связывающий белковый комплекс, который можно заставить спонтанно индуцировать формирование корневых клубеньков.

Почти во всех экосистемах рост растений ограничен доступностью связанного азота. Симбиотические взаимодействия между растениями и бактериями, способными превращать атмосферный азот в ионы аммония, имеют большое агрономическое значение. Бобовые размещают своих симбионтов в специальных органах — корневых клубеньках, которые обычно индуцируются только при наличии соответствующих бактерий вблизи корней.

«В ответ на присутствие симбионтов клетки корня отвечают регулярными колебаниями концентрации кальция в своих ядрах. Считается, что эти колебания служат сигналом для вступления корневых клеток в симбиоз и инициации клеточных делений для формирования клубеньков», — говорит генетик LMU Мартин Парниске. Вместе с членами своей исследовательской группы Парниске идентифицировал белок, играющий ключевую роль в преобразовании этих сигналов в специфический паттерн активности генов, ведущий к развитию клубеньков.

Спонтанное формирование корневых клубеньков

«Мы смогли показать, что белок под названием CYCLOPS, функция которого долгое время оставалась загадочной, участвует в перенаправлении клеточной дифференцировки», — говорит Парниске. CYCLOPS является компонентом белкового комплекса, который интерпретирует кальциевые сигналы и, как следствие, активирует гены, необходимые для установления симбиоза.

Кальциевый сигнал обнаруживается другим белком в комплексе — киназой, которая активируется ионами кальция и в результате переносит фосфатные группы на специфические сайты в белке CYCLOPS. Эта реакция фосфорилирования придает CYCLOPS способность связываться с определёнными нуклеотидными последовательностями в геноме, тем самым активируя конкретный набор генов. Белковые продукты этих генов, в свою очередь, ответственны за последующее развитие корневых клубеньков.

«Ничто в его аминокислотной последовательности не указывало на то, что CYCLOPS действует как фактор транскрипции; он представляет собой ранее неизвестный класс этих белков», — объясняет Парниске.

Дальнейшие исследования показали, что CYCLOPS может даже индуцировать спонтанное образование корневых клубеньков — в отсутствие симбионтов — если фосфорилируемые сайты химически модифицированы, чтобы имитировать присутствие фосфатной группы.

«Это важное открытие доказывает, что CYCLOPS играет ключевую роль в перепрограммировании корневых клеток для симбиоза», — отмечает Парниске. «Оно также делает его полезным инструментом для биологов, пытающихся перенести симбиоз корневых клубеньков на растения, неспособные фиксировать азот, такие как пшеница или другие экономически важные сельскохозяйственные культуры».

Поскольку производство азотных удобрений потребляет ископаемое топливо, эта перспектива представляет большой интерес для устойчивого сельского хозяйства.