Исследователи из Института Макса Планка по селекции растений, Кёльнского университета и Копенгагенского университета совершили важное открытие в области взаимодействия растений с почвенными бактериями. Группа ученых под руководством Тонни Андерсена обнаружила, что растения используют специальные барьеры в корнях не только для контроля поглощения воды и питательных веществ, но и для регулирования симбиотических отношений с полезными бактериями. Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Science.
Азот является критически важным элементом для роста растений, однако большинство видов не способны напрямую усваивать атмосферный азот. Для решения этой проблемы фермеры часто используют дорогостоящие азотные удобрения, применение которых сопряжено с негативными экологическими последствиями. Бобовые растения, такие как фасоль, чечевица и арахис, эволюционировали иным путем – они формируют специальные корневые клубеньки, в которых поселяются бактерии ризобии. Эти микроорганизмы преобразуют атмосферный азот в формы, доступные для усвоения растениями, получая взамен сахара, производимые растением в процессе фотосинтеза.
Образование клубеньков строго регулируется в зависимости от уровня азота в почве. При низком содержании азота корни растения отправляют в листья сигнальные пептиды CEP1. В ответ листья подавляют активность гена "too much love" (TML), который в обычных условиях блокирует формирование клубеньков. Такая коммуникационная система позволяет растениям создавать клубеньки только при реальной необходимости, экономя энергетические ресурсы.
Ключевую роль в этом процессе играет каспарийская полоска (Casparian strip, CS) – особая структура в корнях растений. Традиционно считалось, что её единственная функция – создание водонепроницаемого барьера, контролирующего поступление воды и питательных веществ. Однако новое исследование выявило её дополнительную роль в регуляции симбиотических отношений с бактериями.
Учёные работали с модельным бобовым растением Lotus japonicus, используя также данные исследований Arabidopsis. Они обнаружили, что у мутантных растений с дефектной каспарийской полоской формирование клубеньков в условиях низкого содержания азота происходило медленнее. Причиной оказалось не нарушение барьерной функции, а сбой в передаче сигналов CEP1.
Особенно интересным открытием стало наличие миниатюрной версии каспарийской полоски в самих клубеньках. Когда исследователи удалили эту структуру из клубеньков, произошло нарушение симбиотических отношений: сахара растения бесконтрольно поступали в клубеньки, бактерии потребляли избыток углеводов, но прекращали фиксацию азота для растения. По сути, бактерии становились паразитами, получая питание, но не предоставляя ничего взамен.
«Наше исследование показывает, что каспарийская полоска действует как естественный привратник, помогающий растениям поддерживать взаимовыгодные отношения с бактериями», – отмечает Тонни Андерсен. «Это своего рода механизм контроля качества, гарантирующий, что растение получает азот в обмен на предоставляемые сахара».
Это открытие имеет фундаментальное значение для понимания взаимодействия растений с микроорганизмами. Оно не только раскрывает двойную роль каспарийской полоски как физического барьера и регулятора симбиотических отношений, но и создаёт новую модельную систему для изучения полезных ассоциаций между растениями и микробами. В будущем эти знания могут быть использованы для разработки более эффективных и экологичных методов повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Изображение носит иллюстративный характер
Азот является критически важным элементом для роста растений, однако большинство видов не способны напрямую усваивать атмосферный азот. Для решения этой проблемы фермеры часто используют дорогостоящие азотные удобрения, применение которых сопряжено с негативными экологическими последствиями. Бобовые растения, такие как фасоль, чечевица и арахис, эволюционировали иным путем – они формируют специальные корневые клубеньки, в которых поселяются бактерии ризобии. Эти микроорганизмы преобразуют атмосферный азот в формы, доступные для усвоения растениями, получая взамен сахара, производимые растением в процессе фотосинтеза.
Образование клубеньков строго регулируется в зависимости от уровня азота в почве. При низком содержании азота корни растения отправляют в листья сигнальные пептиды CEP1. В ответ листья подавляют активность гена "too much love" (TML), который в обычных условиях блокирует формирование клубеньков. Такая коммуникационная система позволяет растениям создавать клубеньки только при реальной необходимости, экономя энергетические ресурсы.
Ключевую роль в этом процессе играет каспарийская полоска (Casparian strip, CS) – особая структура в корнях растений. Традиционно считалось, что её единственная функция – создание водонепроницаемого барьера, контролирующего поступление воды и питательных веществ. Однако новое исследование выявило её дополнительную роль в регуляции симбиотических отношений с бактериями.
Учёные работали с модельным бобовым растением Lotus japonicus, используя также данные исследований Arabidopsis. Они обнаружили, что у мутантных растений с дефектной каспарийской полоской формирование клубеньков в условиях низкого содержания азота происходило медленнее. Причиной оказалось не нарушение барьерной функции, а сбой в передаче сигналов CEP1.
Особенно интересным открытием стало наличие миниатюрной версии каспарийской полоски в самих клубеньках. Когда исследователи удалили эту структуру из клубеньков, произошло нарушение симбиотических отношений: сахара растения бесконтрольно поступали в клубеньки, бактерии потребляли избыток углеводов, но прекращали фиксацию азота для растения. По сути, бактерии становились паразитами, получая питание, но не предоставляя ничего взамен.
«Наше исследование показывает, что каспарийская полоска действует как естественный привратник, помогающий растениям поддерживать взаимовыгодные отношения с бактериями», – отмечает Тонни Андерсен. «Это своего рода механизм контроля качества, гарантирующий, что растение получает азот в обмен на предоставляемые сахара».
Это открытие имеет фундаментальное значение для понимания взаимодействия растений с микроорганизмами. Оно не только раскрывает двойную роль каспарийской полоски как физического барьера и регулятора симбиотических отношений, но и создаёт новую модельную систему для изучения полезных ассоциаций между растениями и микробами. В будущем эти знания могут быть использованы для разработки более эффективных и экологичных методов повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
