Секреты симбиоза растений и микробов скрываются в кармашках листьев папоротника

Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) детально изучили симбиотические отношения и микробные сообщества в папоротниках Azolla, что дает новое понимание этих важных растений. Результаты опубликованы в The ISME Journal.

"Azolla растут очень быстро и встречаются почти на всех континентах. Со своими микробными симбионтами они отлично фиксируют азот, поэтому их исследуют как биоудобрения и белковые добавки для кормов. Интересно, что огромное количество спор Azolla было найдено в окаменелостях времен последнего глобального похолодания 50 миллионов лет назад, когда снижение CO₂ способствовало охлаждению атмосферы, поэтому их также изучают на предмет свойств связывания углерода", — пояснил профессор Дэвид Армитаж, руководитель подразделения интегративной экологии сообществ OIST.

Выделение симбионтов среди случайных микробов

Ученые исследовали микробные сообщества в листовых кармашках Azolla — крошечных полостях внутри листьев, где обитают симбиотические бактерии. Анализ образцов из различных видов Azolla и реконструкция геномов микробов показали, что только цианобактерия Trichormus azollae присутствовала во всех листовых кармашках, что подтверждает ее статус единственного истинного симбионта этого растения.

"Хотя мы наблюдали и другие бактерии в некоторых образцах, мы считаем их временными "посетителями" этих папоротников", — отметил профессор Армитаж.

Генетические последствия симбиоза

Сравнение симбиотической цианобактерии T. azollae со свободноживущими родственными видами выявило серьезные геномные изменения, вызванные симбиозом. Геном симбионта находится в состоянии крайнего распада, что, возможно, объясняет неспособность бактерии выживать вне растения-хозяина.

"Псевдогенов было больше, чем функционирующих генов. От 30 до 50% генов было утрачено у симбиотических цианобактерий по сравнению со свободноживущими вариантами", — сказал профессор Армитаж.

Исследователи смогли определить, какие функциональные группы генов развивались по-разному:

• Активнее экспрессировались и были в изобилии у симбионтов гены, связанные с адгезией, внутриклеточным транспортом, секрецией и везикулярным транспортом. Это может помогать бактериям закрепляться в листовых кармашках и поддерживать фиксацию азота.
• Ослаблен отбор или деградировали до псевдогенов гены, связанные с механизмами защиты, реакцией на стресс, репликацией и репарацией, что указывает на безстрессовую среду обитания симбионтов.

От фундаментальных открытий к продовольственной безопасности

Ученые надеются, что это исследование послужит руководством для научного сообщества по использованию геномных данных для нацеливания на гены, вовлеченные в симбиоз.

"Наша цель — чтобы эта работа стала планом, направляющим ученых в том, как стимулировать такие симбиозы для решения глобальных проблем, таких как продовольственная безопасность, путем создания азотфиксирующих сельскохозяйственных культур. Симбиозы растений и микробов обладают огромным потенциалом, если мы сможем раскрыть, как и почему они функционируют, и пример Azolla является одним из самых крайних и тесных между партнерами", — заключил профессор Армитаж.