Ритмическая экспрессия генов у растений важна для симбиоза с бактериями, снабжающими питательными веществами

Бобовые растения процветают в условиях с низким содержанием азота благодаря партнёрству с ризобиями — почвенными бактериями, которые преобразуют атмосферный азот в аммоний, пригодную для растений форму. Эти полезные бактерии размещаются в клубеньках на корнях бобовых.

Однако неконтролируемое образование множества клубеньков может нарушить функцию корня. Для предотвращения этого бобовым необходимо регулировать распределение и количество клубеньков, но точные механизмы ранее были неясны.

Исследование на модельном растении Lotus japonicus показало, что взаимодействие корней бобовых с ризобиями характеризуется периодической экспрессией генов с шестичасовым ритмом. Эта ритмическая экспрессия влияет на области корня, восприимчивые к заражению ризобиями, и на распределение клубеньков.

Также было обнаружено, что растительный гормон цитокинин играет ключевую роль в поддержании этого ритма экспрессии генов. Исследование опубликовано в журнале Science.

Ключевые механизмы симбиоза

• Когда ризобии заражают корни, клетки эпидермиса корня образуют инфекционные нити — мембранные трубчатые структуры, которые направляют бактерии во внутренние ткани корня.
• Заражение происходит в узкой области корня сразу за кончиком корня, называемой восприимчивой областью.
• Наблюдения с использованием люминесцентной визуализации показали, что экспрессия гена NSP1, необходимого для процесса заражения, демонстрирует колебательные паттерны с интервалом примерно в шесть часов в восприимчивой области.
• Области колебаний экспрессии гена совпадают с зонами плотного формирования инфекционных нитей и последующего образования клубеньков.

Роль цитокинина

• Гены, связанные с биосинтезом, метаболизмом и передачей сигналов цитокинина, также демонстрировали колебательную экспрессию после инокуляции ризобиями.
• Использование мутантов по рецептору цитокинина LHK1 показало его критическую роль:
  • У мутантов без функционального LHK1 интервалы колебаний экспрессии NSP1 удлинялись, а область её колебаний расширялась.
  • У растений с активированной формой LHK1 индукция экспрессии NSP1 подавлялась, и её периодичность терялась.
• Эти изменения напрямую влияли на распределение инфекционных нитей: мутанты lhk1 демонстрировали увеличенные сегменты корня с плотными инфекционными нитями, а активный LHK1 снижал их плотность.

Значение и перспективы

Исследование подчёркивает важность правильного ответа на цитокинин для поддержания симбиотических колебаний и обеспечения соответствующего распределения инфекционных нитей.

Открытие периодических цитокининовых ответов было неожиданным. Понимание молекулярных механизмов, устанавливающих эту периодичность, и того, как эти ответы формируют области заражения, углубит знания о регуляции симбиоза и продвинет исследования пространственного контроля развития органов через периодические ответы, опосредованные растительными гормонами.