Различение друзей и врагов в грибном микробиоме корней

Сложные микробные сообщества населяют растения и влияют на их развитие. Корни, в частности, являются средой обитания для широкого разнообразия микроорганизмов — включая бактерии и грибы — которые напрямую влияют на здоровье растений. Ранее исследователи из MPIPZ обнаружили, что эти грибы — важные члены корневого микробиома, способные стимулировать рост растений, но только когда их сдерживают совместные действия врожденной иммунной системы растения и бактерий, обитающих в корнях.

В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, Фантен Мени и соавторы дают новое представление о том, как эти грибы колонизируют корни, почему многие из них потенциально вредны и что отличает полезные грибы от патогенных в корневом микобиоме (т.е. грибном компоненте корневой микробиоты).

Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи сосредоточились на модельном растении Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля), которое не может полагаться на полезные микоризные грибы для получения питательных веществ, поскольку у него отсутствует необходимая генетическая сеть для установления функционального симбиоза с этими грибами. A. thaliana, вероятно, полагается на другие грибы, чтобы компенсировать потерю микоризных партнеров и выжить в природе. Чтобы лучше охарактеризовать эти разнообразные грибы, колонизирующие корни, исследователи выделили множество грибных штаммов из корней здоровых растений по всей Европе и отобрали 41, репрезентативных для корневого микобиома A. thaliana.

В сотрудничестве с INRAE Nancy (Франция) и JGI (США) геномы этих грибов были секвенированы и сравнены с другими грибами, ранее описанными как сапротрофные, патогенные, эндофитные или микоризные. Удивительно, но ученые обнаружили, что большинство членов корневой микробиоты — выделенных из корней здоровых растений — произошли от предков, которые, вероятно, были патогенными, и сохранили набор генов, которые, как ранее было показано, утрачены в геномах полезных микоризных грибов. Эти гены кодируют эффектор-подобные малые секретируемые белки, которые могут модулировать иммунную систему растения-хозяина, и ферменты, способные расщеплять большое количество компонентов клеточной стенки растений, включая пектин, целлюлозу и гемицеллюлозу. Эти находки позволили предположить, что многие из этих грибов могли сохранить по крайней мере часть своих унаследованных патогенных способностей.

Чтобы проверить эту гипотезу, растения A. thaliana выращивали в замкнутой системе в отсутствие каких-либо микроорганизмов или повторно заселяли каждым из 41 отобранного грибного изолята. Этот эксперимент выявил широкий спектр влияния грибов на рост растений — от крайне вредоносного до полезного. В частности, авторы наблюдали, что штаммы, наиболее вредные для растения, колонизировали корни гораздо агрессивнее, чем те, которые оказывали полезное действие. Более того, грибы, наиболее часто обнаруживаемые в корнях A. thaliana в природе, также были теми, которые проявляли вредное воздействие на своего хозяина в экспериментах с моноассоциацией. Предыдущая работа группы Стефана Акара предполагала, что микобиом A. thaliana может стать вредоносным, если иммунная система хозяина и бактерии, обитающие в корнях, не будут строго контролировать пролиферацию этих грибов. Эти новые результаты показывают, что в природе грибы с высоким потенциалом колонизации корней обладают высоким патогенным потенциалом, что объясняет необходимость контроля их роста.

Используя комбинацию методов ассоциации, включая модели машинного обучения, авторы затем связали влияние грибов на рост A. thaliana с составом их геномов и успешно идентифицировали семейство генов-кандидатов, которое могло бы объяснить вредоносные эффекты и способности к колонизации корней. Это семейство (пектатлиаза PL1_7) кодирует ферменты, расщепляющие пектин — важный компонент клеточных стенок растений, особенно обильный в корнях двудольных растений, таких как A. thaliana. Чтобы подтвердить его вовлеченность в вредоносную активность грибов, ген из этого семейства был внедрен в геном грибного вида, который естественным образом его не имеет. Полученный мутантный штамм смог колонизировать корни более агрессивно, чем исходный изолят, и это увеличение грибной нагрузки в корнях было связано со снижением жизнеспособности растения.

По словам последнего автора исследования Стефана Акара: «Эти результаты указывают на то, что репертуары ферментов, расщепляющих клеточную стенку растений, в геномах грибов являются ключевыми генетическими детерминантами, обеспечивающими доступ к корневой эндосфере и объясняющими, почему активные колонизаторы корней потенциально могут стать вредоносными, если они слишком агрессивно разрушают корни».

Это исследование подчеркнуло, что микобиом здоровых растений в природе состоит как из друзей, так и из врагов. Это открытие предлагает новый взгляд на влияние грибов на здоровье растений и, возможно, открывает путь к новым захватывающим соображениям и разработкам для сельского хозяйства. Использование этих результатов потенциально может дать обоснование того, как проектировать и оптимизировать синтетические грибные сообщества для получения полезных результатов для жизнедеятельности растений.