Естественный привратник: как растения используют корневые барьеры для поддержания здоровых отношений
Учёные из Института селекции растений Макса Планка, Кёльнского и Копенгагенского университетов обнаружили скрытую функцию полоски Каспари — структуры корня, известной как «охранник» растения. Оказалось, этот естественный барьер также играет ключевую роль в обеспечении того, чтобы бобовые получали правильное количество азота от своих бактериальных партнёров.
Результаты, опубликованные в Science, могут помочь лучше понять, как растения и микробы ведут свои «подземные сделки».
Азот: любимое лакомство растений (но его трудно достать)
Растениям нужен азот для роста, но они не могут просто взять его из воздуха. Если в почве его недостаточно, фермеры вносят удобрения — дорогое и экологически проблемное решение, поскольку избыток азота может попадать в грунтовые воды.
Однако у бобовых (фасоль, чечевица, арахис) есть свой трюк. Они образуют специальные клубеньки на корнях, в которых живут полезные бактерии — ризобии. Они фиксируют азот из воздуха и превращают его в доступную для растений форму. В обмен бактерии получают от растения сахара. Это классический взаимовыгодный симбиоз.
Контроль образования клубеньков: «групповой чат» от корня к листу
Образование клубеньков строго регулируется в зависимости от количества азота в почве. При его нехватке корни посылают сигнал бедствия (пептид CEP1) листьям. Листья в ответ «выключают» ген-ингибитор клубенькообразования too much love (TML). Это позволяет растению формировать клубеньки и получать больше азота.
Исследователи обнаружили, что полоска Каспари (CS) — водонепроницаемый барьер в корнях — формируется одновременно с клубеньками. Обычно CS действует как вышибала, решая, какие питательные вещества и вода попадут в сосудистую систему растения. Клубеньки же образуются вне этого барьера, поэтому им нужно как-то провести питательные вещества мимо него.
Скрытая роль привратника
Команда Тонни Андерсена изучала модель бобового растения Lotus japonicus. Когда у мутантных растений удалили CS, клубеньки формировались медленнее в условиях дефицита азота.
Проблема была не в «протекающем» барьере, а в сбое коммуникации. Мутанты плохо производили сигнальный пептид CEP1, поэтому растение не регистрировало нехватку азота и задерживало образование клубеньков.
Когда бактерии становятся слишком жадными
Ещё более удивительно, что внутри самих клубеньков была обнаружена миниатюрная версия полоски Каспари. Внутри клубенька CS играет критическую роль в управлении обменом между растением и бактериями, обеспечивая справедливость сделки. Когда CS удаляли внутри клубенька, весь контроль терялся — сахара от растения начинали поступать неограниченно, превращая клубочек в «шведский стол» для бактерий. В результате бактерии «жирели» и переставали фиксировать азот, оставляя растение без столь необходимого питательного вещества.
Более века полоска Каспари была известна как привратник корня, контролирующий поступление веществ в растение. Но это исследование показывает, что у неё есть вторая работа: регулирование тонкого метаболического обмена между растениями и бактериями.
«Эта работа даёт новое понимание того, как взаимодействуют растения и микробы, и устанавливает совершенно новую модель для изучения того, как полезные ассоциации могут возникать в тесных пространствах», — говорит Андерсен.