Симбиозы растений — хрупкие партнёрства
Цветковым растениям для роста необходим фиксированный азот. Некоторые из них вступают в симбиоз с азотфиксирующими бактериями: растение предоставляет бактериям узелки на корнях, а те снабжают его аммиаком, полученным из атмосферного азота. Оба партнёра извлекают выгоду.
Однако международное исследование 37 геномов растений, проведённое молекулярными биологами из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене (LMU) и Центра Гельмгольца в Мюнхене (HMGU) совместно с французскими и китайскими коллегами, показывает, что способность формировать клубеньки на корнях неоднократно терялась в ходе эволюции. Результаты опубликованы в журнале Science.
Способность формировать клубеньки в ответ на присутствие азотфиксирующих бактерий сейчас есть только у четырёх отрядов цветковых растений (Fabales, Fagales, Cucurbitales и Rosales), к которым относятся многие сельскохозяйственные культуры, включая бобы, горох и сою. Авторы предположили, что генетическая основа для этого симбиоза изначально развилась у общего предка этих групп.
Однако из 28 семейств растений в этих четырёх отрядах только 10 способны формировать азотфиксирующие клубеньки. Более того, большинство родов в девяти из этих семейств не ведут симбиотический образ жизни.
Для выяснения причин этого консорциум секвенировал полные геномы 10 видов, формирующих разные типы клубеньков с различными бактериальными симбионтами. Эти данные были включены в сравнение 37 видов растений, представляющих четыре отряда. Анализ показал, что многие представители этих групп, включая известные культуры, такие как клубника, ежевика и яблоня, когда-то обладали, но впоследствии утратили способность к симбиозу.
Был обнаружен ключевой ген NODULE INCEPTION (NIN), необходимый для симбиоза. Оказалось, что этот ген неоднократно и независимо инактивировался мутациями в разных линиях. Функциональный ген, вероятно, присутствовал у общего предка, но позже был утрачен несколько раз независимо.
Это стало неожиданностью, поскольку в многих экосистемах дефицит азота ограничивает рост растений, и симбиоз должен давать селективное преимущество.
По мнению авторов, одна из возможных причин частой потери симбиоза — возможность заражения клубеньков паразитическими бактериями, которые потребляют ресурсы растения, не поставляя азот. В таком случае утрата симбиоза может быть эволюционным преимуществом, позволяющим растению избежать эксплуатации. Другие сценарии включают постоянный избыток азота или дефицит других веществ, например, воды или фосфатов.
В синтетической биологии ведутся работы по приданию несимбиотическим сельскохозяйственным растениям способности формировать клубеньки, чтобы снизить потребность в экологически проблемных азотных удобрениях. Полученные результаты показывают, что эволюция оказывает давление против поддержания такого симбиоза, и это необходимо учитывать в будущих исследованиях.