Ученые впервые подробно описали, как устроены азотфиксирующие клубеньки редкого реликтового растения вавиловии прекрасной (Vavilovia formosa (Steven) Fed.) при взаимодействии с разными почвенными бактериями. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Plants.
Современное растениеводство сталкивается с серьезными вызовами, такими как повышение урожайности на единицу посевной площади в связи с быстрым ростом населения Земли, а также адаптация сельскохозяйственных культур к климатическим изменениям. Бобовые считаются важнейшими растениями для развития экологически чистого сельского хозяйства благодаря высокому содержанию белка и низкой зависимости от минеральных азотных удобрений, поскольку бобовые в симбиозе с почвенными бактериями (ризобиями) способны фиксировать атмосферный азот. Именно поэтому симбиотическая фиксация азота считается одним из наиболее перспективных признаков для селекции бобовых культур.
Вавиловия прекрасная — многолетнее растение, которое встречается только в горных районах Кавказа, Армении, Ирана и Ирака. Ее уникальность заключается в морфологии и экологических особенностях. Она растет в высокогорных районах в небольших популяциях, пересекаясь с предполагаемым центром происхождения гороха.
В последнее время вавиловия привлекает все больше внимания, поскольку она может дать представление о том, как формировались и развивались бобовые культуры, в частности триба (таксономический ранг в иерархии классификации живых организмов, который располагается ниже семейства, но выше рода, объединяя близкородственные роды) Fabeae. У растения такое же число хромосом, как у гороха, вики и чины, что открывает возможность для их скрещивания. Кроме того, недавно были выделены и описаны бактерии, с которыми вавиловия вступает в симбиоз. Однако строение клубеньков — специальных образований на корнях, с помощью которых происходит фиксация азота, — до сих пор оставалось неизученным.
Ученые из Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии(Пушкин) и Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) впервые в мире исследовали микроскопическое и внутриклеточное строение клубеньков вавиловии, образованных при взаимодействии с разными штаммами бактерий рода Rhizobium. Среди них — Rhizobium ruizarguesonisRCAM1026, R. leguminosarum sv. viciae TOM, а также штаммы R. leguminosarum sv. viciae Vaf-12 и Vaf-108, выделенные ранее из клубеньков растений дикого типа V. formosa.
Клубеньки, индуцированные штаммом R. leguminosarum sv. viciae Vaf-12, сохраняли гистологическую и ультраструктурную организацию, типичную для бобовых растений. Различные ультраструктурные аномалии были выявлены в клубеньках, индуцированных другими штаммами. Наиболее необычная аномалия наблюдалась в клубеньках, индуцированных штаммом R. leguminosarum sv. viciae TOM, бактероиды в которых быстро разрушались и выводились в специальные клеточные структуры — из цитоплазмы в вакуоль. Ранее такой феномен никогда не был описан при изучении симбиотических клубеньков бобовых растений.
При использовании штамма R. leguminosarum sv. viciae Vaf-108 образовывались розоватые клубеньки, в которых через четыре недели после инокуляции начинали преждевременно стареть. Кроме того, формировались мелкие коричневатые псевдоклубеньки. Клубеньки, индуцированные штаммом R. ruizarguesonis 1026, характеризовались избыточным накоплением крахмальных зерен в зрелых инфицированных клетках, что указывало на нарушение нормального симбиоза
Полученные результаты указывают на выраженную специфичность взаимодействия вавиловий с различными штаммами геновида R. leguminosarum. Это может быть связано с условиями произрастания вавиловии в горных районах и географической изоляцией их местообитания.
«Данные задают направление для дальнейших исследований, которые связаны с эволюцией P. sativum и установлением эволюционного положения V. formosa, поскольку вавиловия представляет собой уникальную модель для изучения эволюции симбиоза бобовых культур», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Анна Цыганова, доктор биологических наук, главный научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии.
***
Больше результатов исследований грантополучателей Российского научного фонда и актуальных новостей из мира науки доступны в социальных сетях РНФ Вконтакте и Телеграм. Подписывайтесь на канал РНФ в национальном мессенджере MAX.