Учёные выявили ключевой набор генов для симбиоза растений с грибами

Исследователи из Института Бойса Томпсона (BTI) обнаружили целый кластер генов, которые растения используют для формирования симбиотических отношений с грибами. Это значительно расширяет знания о генетической основе этого ценного для сельского хозяйства взаимодействия.

Большинство наземных растений получают значительную часть минеральных питательных веществ через симбиоз с почвенными грибами — арбускулярную микоризу (AM). Однако, несмотря на десятилетия исследований, многие гены, необходимые для формирования этого симбиоза, оставались неизвестными.

Используя широко доступные геномные последовательности, учёные BTI сравнили 50 геномов растений и выявили 138 генов, которые присутствуют исключительно у растений, способных к AM-симбиозу. Результаты опубликованы в журнале Nature Plants и могут приблизить создание растений, процветающих без внесения удобрений.

Новый подход к поиску генов

Ранее гены, участвующие в AM-симбиозе, находили с помощью трудоёмких генетических скринингов, которые могли занимать до пяти лет. Изучив несколько таких генов у растения Medicago truncatula, исследователи заметили, что их нет у видов, не способных к симбиозу.

Это наблюдение легло в основу нового подхода, основанного на идее, что AM-симбиоз возник у растений однократно в глубокой древности. Поэтому все растения-хозяева унаследовали сходный набор генов, а те, кто утратил способность к симбиозу, предположительно потеряли и необходимые для этого гены.

Результаты исследования

Биоинформатический анализ сравнения 34 симбиотических и 16 несимбиотических видов растений позволил из первоначальных 62 000 кандидатов отобрать те самые 138 генов. Пятнадцать из них уже были известны своей ролью в симбиозе.

Для проверки точности предсказания учёные создали мутации в семи неизвестных генах у Medicago truncatula. В шести случаях мутации привели к нарушению формирования симбиоза.

Анализ новых генов подчеркнул важность биосинтеза липидов во время симбиоза. Этот метод выявляет гены, которые не выполняют других функций, кроме участия в симбиозе.

Значение и перспективы

Почти все основные продовольственные культуры формируют AM-симбиоз. Оптимизация этого взаимодействия через селекцию может повысить урожайность и снизить потребность в удобрениях.

В будущем исследователи планируют изучить оставшиеся 131 ген, чтобы лучше понять развитие и регуляцию симбиоза. Работа была поддержана грантом Triad Foundation и Национального научного фонда США (#IOS-1127155).