Молекулы в листьях как маркеры микоризных ассоциаций
Большинство растений в природе образуют взаимовыгодные отношения с корневыми грибами — микоризой. Микоризные грибы облегчают растениям усвоение питательных веществ и помогают им выживать в экстремальных условиях. Исследователи из Института химической экологии Макса Планка в Йене (Германия) обнаружили, что определённые метаболиты листьев можно использовать в качестве маркеров микоризных ассоциаций. Обнаружение фолиарных маркеров даёт учёным простой в применении инструмент для скрининга большого количества растений на наличие микоризы без необходимости их уничтожения. Этот новый инструмент может способствовать выведению более эффективных и устойчивых к стрессу сортов сельскохозяйственных культур для устойчивого сельского хозяйства.
Отношения между растениями и арбускулярными микоризными грибами считаются одним из важнейших факторов эволюции наземных растений. Более 70% высших растений образуют ассоциацию с этими грибами, возраст которых оценивается более чем в 400 миллионов лет. Эта взаимовыгодная связь позволяет растению лучше усваивать питательные вещества, например, фосфат. Кроме того, симбиоз повышает устойчивость растений к биотическим и абиотическим стрессам, таким как нападение насекомых, патогены и засуха.
Для селекционеров растений микоризные грибы очень важны, поскольку мировые запасы фосфата ограничены. Однако до сих пор анализ грибной ассоциации был возможен только путём выкапывания корней растений. Это не только трудоёмко, но и уничтожает растение.
Учёные из Института химической экологии Макса Планка и их партнёры обнаружили вещества, которые накапливаются в листьях при успешной колонизации корней растений арбускулярными микоризными грибами. Было известно, что эти вещества, так называемые производные блюменола C, производятся в корнях исключительно после колонизации взаимовыгодными грибами. Однако до сих пор все попытки найти надёжный и специфичный маркер в листьях не увенчались успехом.
В своём исследовании учёные анализировали вещества листьев с помощью высокочувствительной техники и сравнивали их с соединениями из листьев растений, которые не смогли установить грибные ассоциации. «С помощью целенаправленной и высокочувствительной масс-спектрометрии мы смогли обнаружить микориз-специфичные изменения и в надземных частях растений», — описывает неожиданные находки Мин Ван из Института Макса Планка в Йене. Дальнейшие эксперименты подтвердили, что наблюдаемые изменения связаны с колонизацией корней микоризными грибами. «Блюменолы, скорее всего, производятся в корнях, а затем транспортируются в другие части растений», — объясняет Мартин Шефер.
Большинство экологических взаимодействий высокоспецифичны. Однако учёные смогли показать накопление блюменолов в тканях листьев других видов растений, включая важные сельскохозяйственные культуры и овощи. Повсеместное распространение маркеров в побегах у далёких семейств растений, вероятно, связано с долгой общей историей микоризных грибов и растений, что позволяет предположить, что эти маркеры играют важную роль для растений, колонизированных арбускулярными микоризными грибами.
Независимо от функции этих веществ, данный подход предоставляет надёжный и простой в применении инструмент, который потенциально может коренным образом изменить будущее микоризных исследований и селекции растений. Ян Болдуин, руководитель отдела молекулярной экологии, резюмирует новые возможности: «Наш диагностический маркер для колонизации арбускулярными микоризными грибами может быть очень полезен для изучения микоризных ассоциаций, не только для селекционных программ, полагающихся на высокопроизводительный скрининг, но и для фундаментальных исследований основных вопросов о передаче информации от растения к растению через грибные сети».
Фосфат является основным компонентом удобрений и поэтому незаменим для сельского хозяйства и производства продуктов питания. Однако запасы фосфата ограничены и часто находятся в зонах конфликтов. Эксперты уже говорят о надвигающемся дефиците фосфата и, следовательно, удобрений, что может привести к глобальному продовольственному кризису. Новый метод скрининга может помочь в выведении растений, которые более способны устанавливать выгодные отношения с микоризными грибами для более эффективного усвоения фосфата.
На следующем этапе исследователи хотят выяснить роль накопления блюменолов, вызванного грибной колонизацией, и узнать, могут ли блюменолы также функционировать как сигнальные молекулы между корнями и листьями растений. Они также планируют использовать новый метод для изучения фундаментальных вопросов, касающихся коммуникации между разными растениями одного вида и растениями разных видов через общую грибную сеть.