У новому дослідженні вчені використали майже всі інструменти зі свого арсеналу — геноміку, транскриптоміку, експерименти в теплицях та передові статистичні методи — щоб отримати нове розуміння складних хімічних взаємодій, що відбуваються в підземних кореневих бульбочках, де бобові, такі як соя, обмінюються життєво важливими поживними речовинами з ґрунтовими мікробами, які називаються ризобіями.

Як повідомляється в Proceedings of the National Academy of Sciences, їхнє дослідження виявило кластери генів ризобій, які, здається, швидко переміщуються через бактеріальні популяції та сприяють збільшенню біомаси рослин у рослин-господарів. Розуміння взаємодії геномів господаря та бактерій допоможе зусиллям з оптимізації росту рослин шляхом покращення ризосфери, кажуть дослідники.

Бобові, такі як конюшина, утворюють кореневі бульбочки, в яких мешкають симбіотичні ґрунтові мікроби, відомі як ризобії. Ці бульбочки є місцем обміну поживними речовинами, корисними для рослин та ризобій.

“Так само, як і ми, рослини сповнені мікробів, і деякі утворюють ці тісно пов’язані симбіози, де значна частина еволюційної історії сформувала дуже тісну взаємодію”, — сказала Кеті Хіт, професор біології рослин в Університеті Іллінойсу Урбана-Шампейн, яка керувала дослідженням разом з професором біології рослин Іллінойсу Емі Маршалл-Колон, – “Бобові, такі як соя, горох або арахіс, розвивають ці особливі стосунки з ризобіями”.

Ризобіальні бактерії “фіксують” азот з атмосфери, перетворюючи його на форму, яку можуть використовувати рослини, сказала Хіт. В обмін на це бобові рослини передають ризобіям багаті на вуглець цукри, “які рослини виробляють під час фотосинтезу”.

Замість того, щоб досліджувати роль одного чи двох генів одночасно, Хіт та її колеги хотіли отримати більш глобальне уявлення про варіації в цих обмінах. Вони звернулися до модельної системи для вивчення таких взаємодій, поєднавши бобову рослину Medicago truncatula, близького родича люцерни, схожого на конюшину, з ризобіальною бактерією Sinorhizobium meliloti.

У тепличному експерименті команда інокулювала кожну рослину M. truncatula одним із 20 штамів ризобію. Штами S. meliloti генетично відрізняються один від одного, але все ж належать до одного виду. Деякі штами послідовно призводили до більшого росту рослин, сказала Хіт. Як тільки рослини та мікроби утворювали кореневі бульбочки, місце обміну, дослідники зривали бульбочки та заморожували їх для подальшого аналізу.

Команда проаналізувала “транскриптом” кожного бульбочка. Транскриптоми містять усю РНК, що виробляється організмом — або, в цьому випадку, двома організмами — що дає чітке уявлення про кожен ген, що експресується.

Після того, як дослідники визначили, які гени рослин і бактерій експресуються на вищих рівнях у вузликах, пов’язаних з найактивнішим ростом рослин, вони секвенували високоякісні референтні геноми кожного бактеріального штаму. Інтерпретація даних була складним завданням, сказала Хіт.

“Бактерії мають генетичні процеси, які відрізняються від наших”, – сказала вона, – “У класичній генетиці ми багато думаємо про цю вертикальну лінію успадкування від батьків до потомства – і вони теж це роблять. Але вони також обмінюються генами горизонтально, коли стикаються з іншими бактеріями – в межах одного виду або між різними видами. Складність горизонтального переносу генів є величезною”.

S. meliloti мають два джерела ДНК: велику первинну хромосому, яка успадковується від “батьківської” бактерії під час її поділу; та дві гігантські плазміди, кожна з яких містить приблизно вдвічі менше генів, ніж хромосома. Плазміди – це кільцеві фрагменти ДНК, які є більш рухливими, ніж хромосомна ДНК, і є місцем горизонтального переносу генів, що дозволяє бактеріям отримувати нові гени від своїх сусідів. Горизонтальний перенос генів навіть дозволяє бактеріям перехоплювати гени, необхідні їм для того, щоб стати ризобіями, сказала Хіт.

Маршалл-Колон та постдокторант Різван Ріаз провели детальний статистичний аналіз та моделювання генних мереж, щоб визначити, які гени ризобій корелюють з більш стійким ростом рослин. Референтні геноми були корисними для розуміння того, які гени присутні та де вони розташовані в хромосомній або плазмідній ДНК. Це призвело до відкриття, що багато генів, що цікавлять, були кластеризовані разом у плазмідах.

Подальші експерименти, очолювані професором мікробіологічних наук штату Північна Дакота та співавтором дослідження Барні Геддесом, включали видалення зазначених генів. Аспірант кафедри мікробіології Університету Іллінойсу Іван Соса Маркес перевірив вплив цих делецій на ріст рослин, підтвердивши, що ідентифіковані гени були важливими для посиленого росту рослин.

“Ми не намагаємося сказати, що це важливі гени у всіх ризобіях усіх бобових”, — сказав Хіт, – “Але ми отримуємо розуміння рівня варіацій, на який діє природний відбір”.
Дослідження пропонує широку картину одного набору генів S. meliloti, “які мають лише деякі штами і які, здається, стимулюють ріст одного виду бобових”. Самі гени менш універсально застосовні, ніж підхід, який ми розробили, але який, ймовірно, можна застосувати до багатьох інших галузей”, – сказала Хіт.

“Ці аспекти мікробної генетики, які ми досліджуємо, є важливими для продуктивності сільського господарства, зростання худоби та здоров’я людини”, – сказала вона, – “Саме ці гени рухаються, і ми не знаємо чому. І вони працюють з рештою геному дуже складними способами”.

Хіт і Маршалл-Колон є співробітниками Інституту геномної біології імені Карла Р. Воуса в Університеті Іллінойсу.

Національний науковий фонд, IGB та Національна рада наук і технологій Мексики підтримали цю роботу.

Стаття “Мобільні кластери генів та коекспресовані шляхи рослин-ризобіумів керують варіаціями якості партнерів у симбіозі” доступна онлайн.