Скрытые генетические кластеры в почвенных бактериях могут помочь увеличить урожай бобовых
Бобовые растения, такие как клевер, образуют корневые клубеньки, в которых обитают симбиотические почвенные бактерии — ризобии. Эти клубеньки служат местом обмена питательными веществами, полезными как для растений, так и для бактерий. Автор: Джули МакМахон
В новом исследовании учёные использовали практически все доступные инструменты — геномику, транскриптомику, эксперименты в теплицах и передовые статистические методы — чтобы глубже понять сложные химические взаимодействия, происходящие в корневых клубеньках. Именно там бобовые культуры, такие как соя, обмениваются жизненно важными питательными веществами с почвенными бактериями ризобиями.
Как сообщается в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, исследование выявило кластеры генов ризобий, которые, по-видимому, быстро распространяются среди бактериальных популяций и способствуют увеличению биомассы растений. Понимание взаимодействия геномов растений и бактерий поможет оптимизировать рост сельскохозяйственных культур за счёт улучшения ризосферы, отметили учёные.
«Как и у нас, у растений полно микробов, и некоторые из них формируют тесные симбиотические связи, которые эволюционировали на протяжении долгого времени», — пояснила Кэти Хит, профессор биологии растений из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, руководившая исследованием вместе с коллегой Эми Маршалл-Колон.
Ризобии «фиксируют» азот из атмосферы, преобразуя его в форму, доступную растениям, объяснила Хит. Взамен бобовые снабжают бактерии богатыми углеродом сахарами, «которые растения производят в процессе фотосинтеза».
Вместо изучения отдельных генов команда решила проанализировать вариативность этих взаимодействий в глобальном масштабе. Для этого они использовали модель, сочетающую бобовое растение Medicago truncatula (близкий родственник люцерны) и бактерию Sinorhizobium meliloti.
В тепличном эксперименте каждое растение инокулировали одним из 20 штаммов ризобий. Некоторые штаммы стабильно приводили к более интенсивному росту растений. После формирования клубеньков учёные извлекли их для дальнейшего анализа.
Автор: Мишель Хассл
Команда изучила транскриптомы клубеньков, содержащие всю РНК, произведённую растением и бактериями. Это позволило определить, какие гены активны в условиях наиболее интенсивного роста.
Особую сложность представлял анализ горизонтального переноса генов между бактериями, отметила Хит. В отличие от классического наследования, бактерии могут обмениваться генами даже между разными видами.
Исследователи обнаружили, что ключевые гены, связанные с ростом растений, сгруппированы в плазмидах — мобильных участках ДНК, которые легко передаются между бактериями. Дополнительные эксперименты с удалением этих генов подтвердили их важность для повышения урожайности.
«Мы не утверждаем, что эти гены универсальны для всех ризобий и бобовых, — подчеркнула Хит. — Но мы начинаем понимать, как естественный отбор действует на этом уровне вариативности».
Исследование открывает новые перспективы для сельского хозяйства, животноводства и даже медицины, поскольку механизмы горизонтального переноса генов играют ключевую роль во многих биологических процессах.
Подробнее: Marshall-Colón, Amy et al, Mobile gene clusters and coexpressed plant–rhizobium pathways drive partner quality variation in symbiosis, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2411831122
0 комментариев