Привлечение пути развития боковых корней к формированию клубеньков у бобовых
Горох и другие бобовые растения образуют сферические или цилиндрические структуры — клубеньки — на своих корнях для установления взаимовыгодных отношений с бактериями, которые превращают атмосферный азот в доступное для растения питательное вещество. Благодаря симбиозу с клубеньковыми бактериями бобовые могут расти в условиях дефицита азота, где большинство небобовых растений выжить не способно. Исследователи из Японии лучше поняли, как эволюционировал этот симбиоз.
Свои результаты они опубликовали в ноябре 2019 года в журнале Science.
«Мы стремились понять, как бобовые приобрели способность формировать корневые клубеньки, которые необходимы для установления симбиотических отношений между растением-хозяином и азотфиксирующими бактериями», — сказал автор статьи Такаши Сояно из Национального института фундаментальной биологии. «Наши результаты проясняют, как бобовые приобрели способность производить корневые клубеньки».
Корневые клубеньки обычно формируются в ответ на присутствие бактерий ризобий. Бобовые эволюционно развили гены, которые специфически сообщают клеткам хозяина о присутствии ризобий, запуская формирование клубеньков. Однако было неясно, как эти генетические факторы могут запускать развитие этих корневых органов.
Исследователи изучили это развитие органов на модели бобового растения Lotus japonicus и обнаружили, что оно происходит с участием гена, задействованного в формировании боковых корней. Обычно растения развивают боковые корни, которые распространяются вширь, а не уходят глубоко вертикально вниз, поскольку вода и питательные вещества, как правило, сконцентрированы у поверхности почвы.
«Этот ген — ASL18a — был заимствован (кооптирован) из программ развития боковых корней, общих для большинства растений, для формирования корневых клубеньков в присутствии ризобий», — пояснил Сояно.
Совместное действие двух генов, ASL18a и NF-Y, необходимо для индукции деления клеток при развитии клубеньков. Другой ген, называемый NIN, специфически направляет ASL18a и NF-Y на совместную работу именно при наличии ризобий. По словам Сояно, ген ASL18a у бобовых обладает регуляторным элементом, который связывается с NIN и позволяет генам работать сообща.
«Развитие корневых органов жёстко регулируется за счёт сложных взаимодействий между различными сигнальными компонентами и путями. Приобретение этого элемента могло привести к привлечению данного гена к формированию клубеньков», — сказал Сояно.
Далее Сояно и его команда планируют исследовать, как путь развития боковых корней и симбиоз-специфичный путь влияют друг на друга, способствуя формированию клубеньков.
«Детальное изучение того, как эти два пути были интегрированы, может дать важное понимание для лучшего познания эволюционных путей у бобовых растений», — отметил Сояно.
Он также добавил, что базовый молекулярный механизм этого формирования клубеньков может присутствовать и у других растений, например, томатов, и это может привести к применению клубенькового симбиоза в устойчивых сельскохозяйственных практиках.