'Детектор дыма' растений оказался ключом к древнему симбиозу с грибами

Новое исследование показало, что растительный белок, известный своей способностью обнаруживать в дыме от горящей растительности соединения, стимулирующие рост, играет гораздо более древнюю и широкую роль. Он распознает первоначальные сигналы, посылаемые полезными почвенными грибами, которые доставляют питательные вещества прямо в клетки растений.

Белок позволяет растению «постелить красную ковровую дорожку» для колонизации клеток грибами, идентифицируя молекулярные сигналы, которые дружественные грибы испускают через почву. Этот взаимовыгодный симбиоз дает растению преимущества для выживания: грибы поставляют в растительные клетки минералы, например фосфат, в обмен на сахара.

Такой симбиоз между растениями и определенными микробными грибами широко распространен в царстве растений. Считается, что он возник около 450 миллионов лет назад, во время первых переходов растительной жизни из воды на сушу, когда растениям пришлось находить способы выживания на земле и получения питательных веществ из почвы задолго до появления корней.

Ученые полагают, что эти древние отношения с грибами, вероятно, были критически важны для раннего выживания растений на суше и, как следствие, для эволюции «всех высших форм жизни на Земле».

Хотя предыдущие исследования показали, что растения явно отличают полезные грибы от тех, которые ничего не дают или вызывают болезни, механизм этого различения оставался загадкой. Новое исследование расшифровало генетический код растительного белка, который обеспечивает «межцарственный диалог» между растениями и грибами, позволяя растениям впускать нужные грибы.

Удивительно, но этот белок — фермент, известный науке как рецептор карикина (Karrikin), растительного гормона, образующегося при сжигании растительности. Карикин (от karrik — слова австралийских аборигенов, означающего «огонь») запускает прорастание семян у некоторых видов растений, известных как «преследователи огня»: они первыми появляются после того, как лесные пожары уничтожают их конкурентов.

В то время как лишь немногие виды, следующие за огнем (например, эвкалипт и некоторые представители семейства пасленовых), используют белок (называемый D14L) для «настройки на сигналы дыма», новое исследование показывает, что этот же белок используется подавляющим большинством растений на Земле для настройки на грибы. Он воспринимает молекулярные сигналы от дружественных грибов и обеспечивает отношения, которые поддерживали жизнь растений на суше за сотни миллионов лет до появления корней и семян.

«Этот белок уже был известен как детектор гормонов дыма у нескольких видов растений, следующих за огнем. Но теперь мы показали, что это тот же самый белок, который играет центральную роль в повседневном взаимодействии растений с полезными грибами. Эта первичная, древняя роль установления симбиоза с грибами используется более чем 80% всех видов растений на планете», — сказала доктор Ута Пашковски (Uta Paszkowski) из Департамента наук о растениях Кембриджского университета, старший автор исследования, опубликованного в журнале Science.

«Такой грибной симбиоз помог растениям совершить переход на сушу. Мы начинаем раскрывать процесс, который возвращает нас к первым этапам жизни растений на суше около 450 миллионов лет назад, одному из ключевых эволюционных шагов жизни на планете Земля», — добавила она.

В ходе исследования ученые обнаружили первый «мутантный» рис, который вообще не был восприимчив к дружественным грибам. Команда смогла определить отсутствующий ген и выделить белок D14L как критический элемент для обнаружения этих грибов у растений.

«Грибы и растения выделяют всевозможные молекулы, как диалог через почву, и мы зафиксировали «слуховую» сторону у растений. Удаление белка делает растение нечувствительным к грибу — другими словами, растение становится глухим», — пояснила Пашковски.

При колонизации растения полезный гриб разрастается внутри отдельных растительных клеток, образуя тонкие нити, называемые гифами, которые простираются в окружающую почву и перекачивают минералы и питательные вещества прямо в сердцевину клеток растения. Например, растения, колонизированные дружественными грибами, получают от 70 до 100% своего фосфата непосредственно из этих гиф. Взамен гриб получает сахара от растения.

Растения обычно отслеживают присутствие других бактериальных или грибковых захватчиков в окружающей среде с помощью «рецептор-киназ». «Мы и другие предполагали, что механизм, который растения используют для идентификации полезных грибов, будет связан с ними», — сказала Пашковски.

Она описывает как «настоящий сюрприз» обнаружение того, что белок D14L — «гидролазный» белок, функционирующий глубоко внутри клетки, — необходим для коммуникации с дружественными грибами.

Поскольку белок D14L также участвует в реакциях развития растений на свет, Пашковски говорит о «предчувствии», что этот древний белок, реагирующий на свет, атмосферу (через обнаружение дыма) и почвенную среду (через симбиоз с грибами), мог быть важным эволюционным перекрестком, жизненно важным для скачка растений из океанов на сушу.

«Свет; атмосфера; почва: все аспекты, кардинально изменившиеся при переходе из воды на сушу, и все адаптации, на которые мог влиять этот один белок. Белок D14L может вернуть нас к самым ранним дням жизни на суше», — заключила она.