Раскрытие потенциала микробиома, эволюционировавшего вместе с растениями

Исследователи из ETH Zurich опубликовали два новых исследования, проливающих свет на фундаментальные аспекты взаимоотношений растений со сложными сообществами микроорганизмов.

Шесть лет назад команда под руководством Юлии Форхольт из Института микробиологии ETH Zurich вместе с коллегами из Германии впервые каталогизировала бактерии, живущие на листьях резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana). Было выделено 224 штамма, которые можно собрать в упрощенные, или "синтетические" микробиомы растений. Это заложило основу для двух новых исследований, опубликованных в журналах Nature Plants и Nature Microbiology.

Регуляция силы ответа растения

В первом исследовании изучалось, как растения реагируют на заселение микроорганизмами. Разные типы бактерий вызывали разнообразные ответы. Например, некоторые роды Gammaproteobacteria активировали у растений более 3000 различных генов, в то время как Alphaproteobacteria — в среднем только 88 генов.

Несмотря на широкий спектр реакций, был выявлен центральный ответ: растения практически всегда активируют основной набор из 24 генов. Интенсивность активации этих генов действует как "регулятор громкости" ответа растения и указывает на степень колонизации бактериями, а также предсказывает, сколько дополнительных генов активирует растение.

Растения с дефектами в некоторых из этих 24 генов оказались более восприимчивы к вредоносным бактериям. Поскольку другие исследования показали, что некоторые гены из этого набора также участвуют в ответах растений на осмотический шок или грибковую инфекцию, исследователи предполагают, что 24 гена составляют общий защитный ответ, похожий на "иммунную тренировку".

Бактериальное сообщество выходит из-под контроля

Во втором исследовании изучалось, как меняется бактериальное сообщество при мутациях, вызывающих дефицит одного или нескольких генов у растения. Наибольший эффект оказал не дефект в рецепторах, а дефицит определенного фермента — NADPH-оксидазы.

Растения используют этот фермент для производства высокореактивных кислородных радикалов, обладающих антимикробным действием. При отсутствии этой NADPH-оксидазы микробы, которые в обычных условиях мирно живут на листьях, превращались в оппортунистические патогены.

Ген, ответственный за NADPH-оксидазу, не входит в основной набор из 24 генов, так как он включается до контакта с микробами, а фермент активируется химическими реакциями фосфорилирования.

По словам Юлии Форхольт, эти исследования показывают, что синтетические микробиомы — многообещающий подход для изучения сложных взаимодействий. "Поскольку мы можем контролировать и точно конструировать сообщества, мы можем делать гораздо больше, чем просто наблюдать. Мы можем понять их на молекулярном уровне".

Идеальный микробиом защищает растения от болезней и повышает их устойчивость к засухе и засолению. Результаты исследования представляют интерес для сельского хозяйства, так как могут помочь в будущем использовать силу микробиома.