Древняя эволюционная инновация позволила сотрудничать растениям и азотфиксирующим бактериям

Международная команда учёных под руководством исследователей из VU University выяснила, как восстановить древнюю историю взаимовыгодных отношений (мутуализмов) и определить ключевые события, приведшие к их возникновению. Исследование, финансируемое грантом NWO Vidi, опубликовано в Nature Communications.

Авторы раскрывают ключевые эволюционные шаги к возникновению мутуализма, который изменил глобальные циклы питательных веществ: партнёрства между растениями и симбиотическими азотфиксирующими корневыми бактериями (ризобиями).

Растениям для выживания нужен азот. Атмосфера состоит из азота, но растения не могут извлекать его из воздуха без помощи. При этом они хорошо производят сахара. В симбиозе растения предоставляют бактериям жилище и пищу в корнях, а бактерии дают растениям азот, извлечённый из воздуха.

Симбиоз есть не у всех растений

Не все растения могут формировать партнёрство с ризобиями. Чтобы выяснить почему, исследователи создали первую полную эволюционную реконструкцию этого симбиоза.

Древняя инновация сделала симбиоз возможным

Исследователи VU построили крупнейшую в мире базу данных видов азотфиксирующих растений и использовали новую математическую модель для реконструкции «глубокой» истории симбиоза.

С помощью этой техники и огромного набора данных они определили единственную инновацию, возникшую у растений более 100 миллионов лет назад, которая сделала симбиотическую азотфиксацию возможной. Этот вывод подтвердил вербальную гипотезу, выдвинутую почти двадцать лет назад.

После этой инновации симбиотическая азотфиксация стала возможной, неоднократно эволюционируя у видов-потомков.

Отслеживание эволюционной истории сложных признаков

Исследователи выяснили, что в некоторых группах растений это взаимодействие необычайно стабильно, а в других легко утрачивается. Они также обнаружили, что растения без древней инновации никогда не образуют симбиоз, что объясняет, почему он не встречается чаще.

Важнейший симбиоз в мире

Этот симбиоз критически важен для снабжения азотом многих экосистем и сельскохозяйственных систем, что делает его одним из важнейших на планете. Эволюция симбиотической азотфиксации у растений трансформировала глобальные циклы азота.

Создание устойчивых симбиотических культур?

Долгосрочная цель в сельском хозяйстве — внедрить азотфиксирующее партнёрство в нефиксирующие культуры, такие как кукуруза и пшеница. Новое исследование — ключевой шаг в определении, можно ли и как перенести такие симбиозы.

Исследователи обнаружили, что ни одно из основных зерновых злаков не относится к видам, «подготовленным» для симбиоза, поэтому их модификация, вероятно, будет сложной, пока не будет описана конкретная молекулярная машинерия, обеспечивающая эту подготовку.

Следующий шаг — использование эволюционной реконструкции для понимания лежащей в основе симбиоза генетики. Главный вопрос — определить, чем на самом деле является эта древняя инновация.