Механическое прикосновение — ключ к древним симбиозам растений с грибами и бактериями

Одиночная грибная клетка или бактериальная колония оказывают на растительную клетку крошечное механическое давление, однако эта сила играет решающую роль в установлении фундаментальных симбиотических отношений. Без способности растений реагировать на прикосновение полезных грибов они, возможно, никогда бы не вышли на сушу, — утверждается в новом исследовании под руководством профессора агрономии Университета Висконсин-Мэдисон Жана-Мишеля Анэ.

В отличие от изучения реакции целого корня на сильные раздражители, Анэ и его коллеги исследуют локальные микроскопические стимулы, которые микробы оказывают на отдельную клетку. Именно такое слабое механическое воздействие запускает первый раунд симбиоза — взаимовыгодных отношений между организмами.

Симбиоз с грибами: стук в дверь

Известно, что патогенные грибы разрушают клеточную стенку растения. Однако появляется всё больше свидетельств, что симбиотические грибы и бактерии используют механическую стимуляцию, чтобы обозначить своё присутствие. Они «стучатся в дверь, но не ломают её».

После такого «прикосновения» растение строит трубку, по которой гриб может расти. «Между растением и грибом происходит явный взаимный обмен сигналами. Гриб начинает проникать только после того, как путь подготовлен», — поясняет Анэ.

Речь идёт о микоризе — взаимовыгодном симбиозе с грибами, который помогает почти всем наземным растениям поглощать из почвы фосфор и азот. Биологи полагают, что этот механизм возник около 450 миллионов лет назад, когда растения впервые вышли на сушу.

Механическая сигнализация — лишь часть истории; микробы и растения также общаются с помощью химических сигналов. «Это сравнимо не с тем, чтобы сломать дверь или просто постучать в неё, а с тем, чтобы постучать, будучи в парфюме», — говорит Анэ. Растение активно обрабатывает сигналы, готовит путь и принимает симбионта.

Симбиоз с бактериями: захват в ловушку

Некоторые растения (бобовые) вступают в симбиоз с бактериями ризобиями, которые фиксируют атмосферный азот, делая его доступным для растения. Это позволяет сое и люцерне расти без азотных удобрений.

Исследование Анэ показало, что в симбиозе с ризобиями также используется механическая стимуляция. При первом контакте бактерии с корневым волоском волосок закручивается вокруг неё, захватывая её в ловушку.

Явление закручивания известно почти 100 лет. «Но зачем природе создавать такой сложный механизм для захвата бактериальной колонии?» — задаётся вопросом Анэ. Учёные предполагают, что цель — применить механическую стимуляцию, чтобы растение начало строить «дом» для ризобий. «У нас есть предварительные данные, что если захват не завершён, процесс колонизации не происходит», — отмечает он.

Здесь также работает двухэтапная система коммуникации. Сам процесс закручивания начинается только после того, как растение получает от бактерии химический сигнал. Однако для роста трубки внутри корневого волоска, которая принимает бактерии, требуется что-то ещё. Учёные предполагают, что это механическая стимуляция, создаваемая захватом, которая позволяет бактериальной колонии давить на корень.

Общий эволюционный инструментарий

Этот симбиоз во многом повторяет более древний симбиоз растений с полезными грибами. Анэ считает, что бобовые «узурпировали» систему микоризы. «Растения использовали симбиотический инструментарий для развития отношений с микоризой, а затем применили его снова для бактерий. Это двойное требование — и химических, и механических сигналов — присутствует в обоих типах ассоциаций, хотя связь ризобий с бобовыми насчитывает всего 60 миллионов лет».