Глядя на пресноводный пруд, вы можете увидеть крошечные зеленые растения с овальными листьями, плавающими гроздьями, которые в заросших прудах покрывают поверхность воды. Это – ряска, или как ее еще иногда называют «водяная чечевица» из-за большого содержания белка, может расти так быстро, что удваивает свою численность всего за один-два дня. Но то, чего вы не можете увидеть в этом пруду невооруженным глазом, - эволюционная битва между растениями и микробами, пытающимися вторгнуться в них.
Растения сильно зависят от микробов вокруг них. Сообщество бактерий, вирусов, грибов и других микробов, которые сопровождают растение, называется микробиомом.
Микробиомы часто специфичны для определенного типа растений в определенном месте. Часто есть полезные микробы, которые являются частью микробиома растения. Но в то же время есть патогенные микробы, от которых растениям нужно защищаться. Понимание того, как растения защищают себя от патогенов - или не могут этого сделать - может помочь ученым узнать, как лучше манипулировать микробиомами, чтобы принести пользу различным культурам, включая биоэнергетические.
Команда исследователей при поддержке Управления науки Министерства энергетики США изучают, как бактерии взаимодействуют с гормонами растений и влияют на их рост, пишет Шеннон Брешер Ши в релизе Минэнерго США.
Одной из линий защиты растений от микробов являются их устьица - маленькие поры на листьях, стеблях, цветах и корнях растений, которые открываются и закрываются, чтобы впитать углекислый газ и выпустить кислород и воду. Они действуют как ворота в город. Так же, как ворота, устьица создают физический барьер для вторжения бактерий. У растения есть гормоны, которые регулируют, держат ли замыкающие клетки устьица открытыми или закрытыми. Однако некоторые бактерии способны взломать эту систему.
Другим ключевым игроком в этом эволюционном движении являются растительные гормоны, называемые ауксинами - важный класс гормонов, влияющий на рост и развитие растений. Самый распространенный в природе ауксин называется индол-3 уксусная кислота, сокращенно ИУК (по-английски Indole-3 acetic acid—IAA).
В растениях ИУК влияет на длину клеток, реакцию растений на направление силы тяжести и структуру корней. Для защиты от патогенов растения могут уменьшить или увеличить воздействие гормона. Но как это часто случается в эволюции, некоторые бактерии нашли брешь в этой защите. Бактерии, обнаруженные в ассоциации с растениями, также производят ИУК и делают это так же, как растения. В рамках этого процесса некоторые из этих бактерий развили обход управления ИУК растениями. Они производят достаточно ИУК, чтобы повлиять на химические пути и рост растений.
Растения, у которых ауксиновые пути затронуты этими бактериями, отращивают более короткие первичные корни, чем те, у которых они не затронуты. Они также отращивают больше корней, которые идут параллельно поверхности земли, и имеют больше корневых волосков (крошечных корневых клеток, которые отпочковываются от поверхностного слоя корня).
Эти эволюционные битвы - больше, чем просто экологическое чудо. Они также важны для продуктивности сельскохозяйственных культур.
Увеличение производства определенного гормона из микробиома растения или создание синтетического микробиома дает путь к улучшению роста урожая. Знание того, как патогены влияют на рост корней и общую биомассу, может позволить ученым предотвратить эти проблемы при выращивании этих растений.
Чтобы исследовать эту связь, исследователи из Ратгерского университета, Университета Теннесси и Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл изучали ряску. Ученые имеют много информации о генетике этого растения, включая различия в последовательностях ДНК между различными популяциями ряски.
В предыдущем исследовании группа отобрала образцы микробиома ряски в дикой природе и обнаружила, что он похож на многие обычные растения. Из 47 проанализированных ими штаммов бактерий почти 80% производили соединения, похожие на ИУК (IAA). При поддержке ученых из Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде (учреждение Управления науки Министерства энергетики США) группа инокулировала саженцы ряски 21 из этих штаммов.
Некоторые из обработанных саженцев были обычными «дикими» по росту корней. У некоторых растений были другие штаммы бактерий, которые производили активный ауксин ИУК. В этих растениях корни растений стали намного короче и с гораздо большим количеством ответвлений. Аналогично, растения, у которых отсутствовал ген, необходимый для определения присутствия ауксинов, были менее чувствительны к ИУК, чем растения дикого типа. Эти растения не реагировали на бактерии, производящие ИУК.
Удивительно, но из 21 штамма бактерий только четыре повлияли на рост растений так, как ожидали ученые. Неслучайно именно они произвели больше всего ИУК в пробирках. Похоже, что хотя остальные могли производить некоторые соединения, связанные с ИУК, их количества были недостаточными, чтобы вызвать реакцию растений. Эти четыре штамма, по-видимому, исключительно хорошо справлялись с преодолением защиты растений.
Но были ли эти бактерии преодолены защитой из-за ИУК или какого-то другого подхода? Ученые ответили на этот вопрос, изучая мутантные растения, у которых отсутствовал ген, регулирующий ауксин. Они выяснили, что бактерии не могли просто проникнуть в клетки растений и колонизировать мутантные растения. Очевидно, эти бактерии нашли способ взломать систему ауксина, чтобы она работала в их пользу.
Следующий вопрос заключался в том, откуда проникли бактерии. Хотя устьица растений являются защитным механизмом, они также являются и слабостью. Используя специальные красители и микроскопы, исследователи обнаружили множество вторгшихся бактерий в устьицах ряски дикого типа. Напротив, большинство бактерий в мутантных растениях находились на поверхности, где они не могли добраться до устьиц. Подобно захватчику, обманывающему стражу у ворот окруженного стеной города, успешные бактерии использовали ауксиновую систему, чтобы обмануть замыкающие клетки.
Прослеживая хотя бы небольшой фрагмент этого эволюционного перетягивания каната между растениями и бактериями, можно предположить, что у растений, вероятно, есть несколько механизмов защиты от бактерий, вырабатывающих ИУК. В то время как листья и стебли растений можно легко увидеть над землей, целая сложная система кооперативного и конкурентного поведения скрыта от глаз. Освещая эти отношения, ученые закладывают основу для выращивания растений более устойчивыми способами.
Источник: US Department of Energy. Автор: Шеннон Брешер Ши.
На заглавном фото - 3D-реконструкция микроскопического изображения, показывающего бактерии, собранные на корневой ткани. На снимках изображено растение без бактерий (A), растение с бактериями, которые не производят IAA (B), и четыре растения с бактериями, которые производят IAA (CF). Автор: Кеннет Акоста, Ратгерский университет и Уильям Крислер, EMSL/PNNL.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.
