Сигналы между царствами для построения микробиома растений

Микроорганизмы, живущие на или в тканях растений, формируют так называемый микробиом растения. Этот интерфейс играет важную роль в выживании растений благодаря существованию полезных микроорганизмов. Сложное микробное сообщество формируется и изменяется путем обмена сигналами между растением-хозяином и микробами.

В недавнем исследовании ученые собрали и отфильтровали большой объем данных с помощью комбинации вычислительных подходов, чтобы выявить новые механизмы, а затем подтвердили их экспериментально. Этот анализ данных привел к открытию механизма транспорта у растения-хозяина и химического сигнала, который влияет на колонизацию корней растений полезными бактериями.

Исследование опубликовано в журнале Current Biology.

Для идентификации микробных таксонов в любом наборе данных секвенирования исследователи построили k-mer профили из каждого общедоступного секвенированного генома. Используя эти профили со своим кодом ParaKraken на суперкомпьютере Summit в Национальной лаборатории Ок-Ридж, они проанализировали мета-транскриптомные данные секвенирования из листовой и ксилемной тканей примерно 500 генотипов Populus trichocarpa, выращенных в общем саду.

Этот подход позволил обнаружить тысячи видов микробов, живущих в этих тканях растений. Исследователи использовали обилие каждого вида как фенотип для полногеномного поиска ассоциаций (GWAS), чтобы определить, какие гены растения, вероятно, влияют на колонизацию каждым микробным видом. Это дало детальную картину процессов, которые растение-хозяин использует для отбора специфических микробных видов в своем микробиоме.

Исследователи обнаружили, что на два разных вида микробов влияли оба транспортера мио-инозитола в ксилемной (стеблевой) ткани растения. Для дальнейшего изучения этого открытия они использовали модельное растение Arabidopsis thaliana. Они использовали существующие линии арабидопсиса, в которых эти транспортеры мио-инозитола были удалены, и измерили уровни колонизации корней проростков в этих нокаутных линиях по сравнению с контролем в лабораторном эксперименте на агаровых пластинах.

Было обнаружено, что у линий арабидопсиса без транспортеров мио-инозитола уровни колонизации были значительно снижены. Более того, уровни колонизации восстанавливались, когда исследователи добавляли мио-инозитол в питательную среду на агаровых пластинах. Колонизация бактериями контролируется одними и теми же генами как в стеблевой ткани деревьев, выращенных в полевых условиях, так и в корнях проростков арабидопсиса, выращенных в лаборатории.

Это замечательное открытие указывает на сильную консервативность этого механизма у очень разных типов растений. Исследователи далее изучили механизм действия мио-инозитола, который известен как внутренняя сигнальная молекула у растений. Неожиданно они обнаружили, что нокаут генов в сигнальном каскаде растения не повлиял на уровни колонизации корней арабидопсиса.

Поскольку мио-инозитол — это тип сахара, который некоторые бактерии могут использовать как источник пищи, исследователи выключили катаболический путь для мио-инозитола у бактерий и обнаружили, что это также не повлияло на колонизацию. Однако ученые выяснили, что мио-инозитол значительно влияет на подвижность (способность к плаванию) бактерий. Таким образом, похоже, что растения используют мио-инозитол в роли, которая никогда ранее не изучалась, — specifically как межцарственный сигнальный молекулу. Растение, по-видимому, выкачивает мио-инозитол из своих тканей, чтобы заставить специфические бактерии плыть к корням и колонизировать их.

Это исследование открыло и подтвердило консервативную роль транспорта растительного метаболита мио-инозитола как сигнальной молекулы эукариотического происхождения для модуляции микробной активности.