Ученые научились управлять симбиозом грибов и растений

Команда ученых, возглавляемая Ок-Риджской национальной лабораторией при Министерстве энергетики США обнаружила ключевой ген, контролирующий важные симбиотические отношения между растениями и почвенными грибами. Кроме того, исследователям удалось успешно вживить симбионт в культуру, изначально резистентную к этому.

Подобное открытие может привести к развитию высокоурожайных биоэнергетических и пищевых культур, особо стойких к условиям окружающей среды, патогенам и вредителям, требующих при этом меньше удобрений.

Объектом исследования оказался симбиоз растений с микоризными грибами, в результате которого защитная поволока последних позволяет выращиваемой культуре поглощать больше питательных веществ. В обмен грибы получают необходимый для их развития углерод. Наконец, обволакивающие корни растений грибы также способны «предупреждать» соседние растения о распространении опасных патогенов и вредителей. Считается, что эти микоризные симбиозы способствовали древней экспансии суши растениями, закончившейся созданием таких успешных экосистем, как леса и прерии. По оценкам до 80% всех видов растений имеют какие-либо формы микоризного симбиоза.

«Если нам удастся понять молекулярный механизм, контролирующий отношения растений и полезных грибов, то мы сможет начать использовать этот симбиоз для получения определенных свойств в растении, таких как стойкость к засухе, патогенам, улучшенное усвоение азота и питания, и многие другие. Конечные культуры будут расти больше и нуждаться в меньшем количестве воды и удобрений», — заявил молекулярный генетик Джесси Лаббе (Jessy Labbe).

Основной проблемой было найти те самые генетические «триггеры», включающие симбиоз. Открытие, описанное в журнале Nature Plants, стало результатом 10 лет работы ученых, изучающих создание более эффективных биоэнергетических культур, а также существенного прогресса в экспериментальной биологии, геномном секвенировании, генетике количественных признаков и высокопроизводительных компьютерных вычислениях.

Предметом исследования стал симбиоз тополя (Populus) и лаковицы двухцветной (Laccaria bicolor). Задействовав суперкомпьютеры, а также геномную последовательность  ученым удалось сузить поиск до конкретного рецепторного белка — PtLecRLK1. Как только удалось обнаружить вероятный ген, исследователи отправились в лабораторию, чтобы подтвердить свои выводы.

«Экспериментальная валидация является ключевой в этом открытии, поскольку генетическое картирование выявило статистические связи между симбиозом и этим геном, но экспериментальное подтверждение дало однозначный ответ, что именно этот ген контролирует симбиоз», — рассказал биолог Джэй Чен (Jay Chen).

Следующим шагом стало использование симбиоза на резуховидке (Arabidopsis) — растении, которое не взаимодействует с L. bicolor и даже воспринимает последний в качестве угрозы. Была создана генетическая модификация, вырабатывающая белок PtLecRLK1, после чего в растение был подсажен Laccaria bicolor, который успешно сформировал грибную оболочку в корневой системе. По словам генетика Веллингтона Мучеро (Wellington Muchero), подобный успех означает, что в будущем возможна модификация биотопливных и пищевых культур, обладающих повышенной стойкостью и урожайностью.

«Это поразительное достижение, способное привести к разработке биоэнергетических культур, обладающих способностью выживать на маргинальных, не приспособленных к сельскому хозяйству землях», — заявил глава Центра биоэнергетических инноваций при Министерстве энергетики США Джерри Таскан (Jerry Tuskan).

В проекте также приняли участие ученые из Висконсинского университета (США), Университета Лотарингии (Франция) и Института биотехнологии Хадсон-Альфа (штат Алабама, США). Работа была поддержана научными подразделениями и лабораториями Министерства энергетики США.

Источник: Science Daily