Учёные идентифицировали новый сигнальный компонент, важный для симбиоза растений

Протеомное исследование белковых взаимодействий привело к открытию белков, взаимодействующих с рецептором бобовых, который опосредует передачу сигнала от плазматической мембраны к ядру. Это показывает, как передаются симбиотические сигналы от симбиотических бактерий после их восприятия, что в конечном итоге приводит к их размещению в растении-хозяине.

Бобовые имеют большое сельскохозяйственное значение, в основном благодаря их способности устанавливать симбиотические отношения с азотфиксирующими бактериями, известными как ризобии. Более глубокое понимание биологической фиксации азота (БФА) и последующая передача этих знаний сельскохозяйственным культурам позволили бы обойтись без удобрений и выращивать культуры устойчиво. Кроме того, успешный перенос БФА на небобовые культуры особенно принесёт пользу мелким фермерам, которые смогут увеличить урожайность, не сталкиваясь с финансовыми ограничениями, связанными с покупкой неорганических удобрений.

Чтобы внести вклад в эту цель, члены группы молекулярной биологии растений Орхусского университета под руководством профессора Йенса Стоугаарда посвятили свои исследования пониманию симбиоза бобовых и ризобий. В 2003 году группа идентифицировала локализованные в плазматической мембране рецепторы факторов нодуляции 1 и 5 (NFR1 и NFR5), ответственные за распознавание совместимых симбионтов. Факторы нодуляции (Nod-факторы) — это симбиотические сигнальные молекулы, структура которых варьируется в зависимости от вида ризобий. Используя строгий механизм «замка» (рецепторы Nod-факторов) и «ключа» (Nod-фактор), в растение допускаются только совместимые ризобии, в то время как несовместимые бактерии не смогут инфицировать и колонизировать корневые клубеньки.

Прорыв после 15 лет исследований

Более 15 лет компоненты, непосредственно участвующие в передаче сигналов Nod-фактора ниже по течению от рецепторов Nod-факторов, оставались неуловимыми, что ограничивало понимание учёными того, как эти рецепторы в конечном итоге приводят к изменениям в структуре корневых волосков и образованию новых органов (клубеньков), необходимых для проникновения и размещения ризобий. Прорыв был наконец достигнут с использованием элегантного протеомного подхода и благодаря опыту коллег из исследовательской группы Сирила Ципфеля (Лаборатория Сэйнсбери, Великобритания), которые постоянно выявляли новых участников сигналинга защиты растений.

Работа, опубликованная в журнале PNAS, описывает, как исследователи «вылавливали» взаимодействующие белки, используя NFR5 в качестве приманки. Подобно процессам сигналинга, участвующим в защите, вегетативном и репродуктивном росте растений, они наблюдали, что рецептор-подобная цитоплазматическая киназа играет ключевую роль в передаче сигналов ниже по течению от рецепторов после восприятия лиганда в симбиотической сигнализации. Исследователи назвали эту цитоплазматическую киназу NFR5-взаимодействующей цитоплазматической киназой 4 (NiCK4). Они предполагают, что после восприятия Nod-фактора фосфорилирующий каскад с участием NiCK4, NFR1 и NFR5 приводит к локализации NiCK4 в ядре, где присутствует несколько критических компонентов симбиоза бобовых, что впоследствии способствует образованию клубеньков, используемых для размещения совместимых ризобий.

Вызванное Nod-фактором и рецептором Nod-фактора перемещение NiCK4 из плазматической мембраны в ядро — очень интересные данные, поскольку колебания кальция в ядре являются отличительной чертой симбиотической сигнализации у бобовых. После этого открытия исследовательская группа надеется собрать и связать больше компонентов симбиотической сигнализации. Тщательное понимание всех компонентов, вовлечённых в путь симбиотической сигнализации, имеет решающее значение для успешного переноса БФА на небобовые культуры.