Взгляд изнутри на сотрудничество растений и микоризных грибов

Миллионы лет подземные грибы живут в симбиозе с корнями растений. Растения предоставляют углерод, полученный в процессе фотосинтеза, а грибы поставляют воду и питательные вещества. Для этого организмы делят пространство на клеточном уровне: грибы простирают сеть гиф, называемых арбускулами, внутрь клеток корня растения, и оба организма перестраивают свои клетки вокруг этой структуры, чтобы облегчить обмен.

Недавно исследователям удалось изучить обе стороны этого взаимодействия вблизи, используя РНК-секвенирование для понимания экспрессии генов. Это одно из первых на сегодняшний день межцарственных пространственно-разрешенных транскриптомных исследований. Статья опубликована на обложке журнала Nature Plants.

Исследование было направлено на понимание природы этого симбиоза на клеточном уровне, без "шума" окружающих тканей.

Значение симбиоза

  • Для грибов: Подземные микоризные сети могут служить резервуаром для углеродных соединений, которые растения генерируют из поглощенного CO2. Стимулирование этого симбиоза может улучшить способность почв удерживать углерод из атмосферы.
  • Для растений: Усиление этих отношений может улучшить рост сырья для биотоплива на бедных питательными веществами полях.

Методология исследования

Эксперименты сфокусированы на двух видах одновременно: модельном бобовом растении Medicago truncatula и микоризном грибе Rhizophagus irregularis.

Использованы два ключевых метода:

  1. Секвенирование РНК единичных ядер (single nuclei RNA sequencing): Позволило идентифицировать разные типы клеток в корнях M. truncatula и изучить их экспрессию генов.
  2. Пространственная транскриптомика (spatial transcriptomics): Позволила создать карты экспрессии генов с разрешением около 55 микрон (ширина человеческого волоса). Эта технология захватывала транскрипты как растений, так и грибов.

Результаты

  • Ученые количественно оценили экспрессию более 12 000 генов грибов, а также связанных с ними генов растений.
  • Обнаружено более 1000 upregulated генов, 188 из которых совпали с предыдущими исследованиями той же системы.
  • Эти гены являются перспективными кандидатами для генной инженерии с целью настройки симбиоза.

Будущие направления

Планируется изучить арбускулярную микоризную симбиотическую систему у других биоэнергетических культур, таких как сорго и просо прутьевидное (switchgrass).