Хорошая подготовка важна даже для клеток растений и симбиотических грибов

Фосфор — ограниченный ресурс. По мнению ученых, уже через 20 лет мы столкнемся с серьезными проблемами из-за его дефицита. Фосфор — важный и незаменимый минерал, входящий в состав ДНК. Многие почвы уже сегодня обеднены фосфором. Растения на таких почвах могут получать достаточно фосфора только в симбиозе с арбускулярными микоризными грибами (AM-грибами). Арбускулярная микоризная симбиоза (AM-симбиоза) встречается почти у всех сосудистых растений, и есть веские основания полагать, что у растений существует специальная генетическая программа для нее.

Цель группы Франциски Крайински «Взаимодействия растений и микроорганизмов» из Института молекулярной физиологии растений Макса Планка — понять, какие гены участвуют в AM-симбиозе. Этот симбиоз — несинхронный процесс: разные клетки корня могут находиться на разных стадиях взаимодействия с грибом. Поэтому ученые проанализировали отдельные клетки, а не целые корни. С помощью лазерной микродиссекции им удалось выделить одиночные клетки корня и расшифровать их специфическую генную активность.

Обычно при анализе молекулярного состава клеток растений предполагается, что разные клетки одной ткани одинаковы. Во многих случаях это так. Большинство клеток листьев, стеблей или корней демонстрируют сходные уровни экспрессии генов и метаболической активности. Ситуация усложняется, когда растения вступают в симбиоз, так как взаимодействие с партнером может изменить метаболизм клетки. Даже клетки, соседствующие с колонизированными, но еще не вступившие в прямой контакт с грибом, могут демонстрировать резкие изменения в уровнях экспрессии генов.

AM-грибы обеспечивают рост растений на обедненных питательными веществами почвах. Их нитевидные клетки (гифы) проникают далеко в почву и могут поглощать больше питательных веществ, чем корни растений. Гриб поглощает в основном фосфат, а возможно, также нитрат и ионы металлов (меди, цинка, железа) и передает их растению. Взамен он получает сахара, которые растение производит в процессе фотосинтеза.

Гриб и клетка растения никогда не сливаются; их постоянно разделяют мембраны. Чтобы относительно крупные молекулы сахаров и фосфатов могли проходить через эти мембраны, клетки растений встраивают крупные белковые комплексы, напоминающие туннели. Ученые обнаружили, что гены, кодирующие такие транспортные белки, высоко экспрессированы в клетках, уже колонизированных грибом.

Более удивительным открытием стало то, что даже клетки, находящиеся в непосредственной близости от колонизированных, казалось, уже перепрограммированы. Более 800 генов показали повышенную активность исключительно в этих клетках. «Повышенная скорость транскрипции генов, ответственных за транспортные белки, метаболизм жирных кислот и регуляцию генов, по-видимому, не является результатом колонизации грибом, — объясняет Николь Гауде, первый автор исследования. — Более вероятно, что клетки готовятся к предстоящей колонизации грибом».

Эти точные результаты были получены с помощью лазерной микродиссекции, где лазерный луч используется для выделения отдельных клеток из ткани. Команда Гауде вручную выделила не менее 5000 клеток. «Теперь мы знаем, какие гены активируются еще до того, как симбиоз физически установится», — объясняет Гауде.

Понимание симбиотической программы растений может позволить использовать AM-грибы в сельском хозяйстве и сократить применение дорогих искусственных удобрений в будущем.