Скрытые кластеры генов в почвенных бактериях могут быть ключом к увеличению роста бобовых

В новом исследовании учёные использовали практически весь свой арсенал методов — геномику, транскриптомику, эксперименты в теплице и передовые статистические методы — чтобы получить новое представление о сложных химических взаимодействиях в подземных корневых клубеньках. Там бобовые растения, такие как соя, обмениваются жизненно важными питательными веществами с почвенными микробами — ризобиями.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, выявило кластеры генов ризобий, которые, по-видимому, быстро перемещаются между бактериальными популяциями и способствуют увеличению биомассы растений-хозяев. Понимание взаимодействия геномов хозяина и бактерий поможет в оптимизации роста растений за счёт улучшения ризосферы.

Ризобиальные бактерии «фиксируют» атмосферный азот, преобразуя его в форму, доступную для растений. В обмен бобовые снабжают ризобии богатыми углеродом сахарами.

Исследователи использовали модельную систему: бобовое растение Medicago truncatula (близкий родственник люцерны) и ризобиальную бактерию Sinorhizobium meliloti. В тепличном эксперименте каждое растение инокулировали одним из 20 штаммов ризобий. Некоторые штаммы стабильно приводили к большему росту растений.

После формирования клубеньков учёные проанализировали «транскриптом» каждого клубенька, чтобы увидеть, какие гены растений и бактерий экспрессируются активнее при наиболее интенсивном росте растений. Затем они секвенировали высококачественные референсные геномы каждого бактериального штамма.

S. meliloti имеет два источника ДНК: большую первичную хромосому, наследуемую от «родительской» бактерии при делении, и две гигантские плазмиды, каждая из которых содержит примерно половину генов хромосомы. Плазмиды — это кольцевые фрагменты ДНК, которые более мобильны, чем хромосомная ДНК, и являются местом горизонтального переноса генов, позволяя бактериям приобретать новые гены от соседей.

Статистический анализ и моделирование генной сети показали, что многие гены, коррелирующие с более мощным ростом растений, были сгруппированы вместе именно в плазмидах. Последующие эксперименты с удалением этих генов подтвердили их важность для усиления роста растений.

Исследование даёт общую картину одного набора генов S. meliloti, которые есть только у некоторых штаммов и которые, по-видимому, стимулируют рост одного вида бобовых. Универсальны не столько сами гены, сколько разработанный подход, который, вероятно, будет применим во многих других областях.