ШАМПАН, штат Иллинойс. В новом исследовании ученые использовали почти каждый инструмент в своем инструментарии – геномику, транскриптомику, парниковые эксперименты и передовые статистические методы – чтобы получить новое представление о сложных химических взаимодействиях, которые происходят в подземных корневых узелках, где бобовые, такие как сои, обмениваются жизненными питательными веществами с почвенными микробами, называемыми ризобией.
Бобовые, такие как клевер, образуют корневые узелки, которые содержат симбиотические микробы почвы, известные как ризобия. Эти узелки являются местом обмена питательными веществами, которые приносят пользу растениям и ризобии. Графика Джули МакМэхон
Сообщалось в «Слушаниях Национальной академии наук», их исследование выявило кластеры ризобиальных генов, которые, по -видимому, быстро движутся через бактериальные популяции и стимулируют большую биомассу растений у растений -хозяев. По словам исследователей, понимание взаимодействия геномов хозяина и бактерий поможет усилиям по оптимизации роста растений путем улучшения ризосферы.
«Как и мы, растения полны микробов, а некоторые образуют эти строго экономящих симбиозов, где много эволюционной истории сформировала очень интимное взаимодействие»,-сказал Кэти Хитпрофессор Биология растений в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн, который руководил исследованием с профессором биологии растений в Иллинойсе Эми Маршалл-КолонПолем «Бобовые, такие как соевые бобы, горох или арахис, развивают эти особые отношения с ризобией».
Исследование со-лидера Эми Маршалл-Колон, на фото и постдокторском исследователе Ризван Риаз провели подробный статистический анализ и моделирование сети генов, чтобы определить, какие гены ризобиальных корректов коррелировали с более надежным ростом растений. Фотография Делла Перроне
По словам Хит, ризобиальные бактерии «фиксируют» азот из атмосферы, превращая его в форму, которую растения могут использовать. В обмен, бобовые дают ризобию, богатые углеродами, «вот что растения делают, когда они делают фотосинтез».
Вместо того, чтобы исследовать роль одного или двух генов за раз, Хит и ее коллеги хотели получить более глобальное чувство различия в этих обменах. Они обратились к модельной системе для изучения таких взаимодействий, соединяя бобовые Medicago Truncatulaблизкий родственник люцерны, которая выглядит как клевер, с ризобиальной бактерией Sinorhizobium melilotiПолем
В парниковом эксперименте команда инокулировала каждый М. усечен сажать с одним из 20 штаммов ризобия. А С. Мелилоти штаммы отличаются друг от друга генетически, но все еще принадлежат к одному и тому же виду. По словам Хита, некоторые штаммы постоянно приводили к большему росту растений. После того, как растения и микробы образовали корневые узелки, место обмена, исследователи вытащили узелки и заморозили их для дальнейшего анализа.
Команда проанализировала «транскриптом» каждого узелка. Транскриптомы содержат всю РНК, продуцируемую организмом – или, в данном случае, два организма – предлагая четкую картину каждого экспрессируемого гена.
Исследователь постдокторараля Ризван Риаз. Фото Ирен Беттчер-Гаевски
Как только исследователи определили, какие растительные и бактериальные гены экспрессируются на более высоких уровнях в узелках, связанных с наиболее энергичным ростом растений, они секвенировали высококачественные эталонные геномы каждого бактериального штамма.
По словам Хита, интерпретация данных была грозной задачей.
«У бактерий есть генетические процессы, которые отличаются от наших», – сказала она. «Мы много думаем в классической генетике об этой вертикальной линии наследования от родителей до потомства – и они тоже это делают. Но затем они также обменяются генами горизонтально, когда они сталкиваются с другими бактериями – в пределах одного и того же вида или между разными видами. Сложность горизонтального переноса генов является массовой».
С. Мелилоти иметь два источника ДНК: большая первичная хромосома, которая наследуется от «родительской» бактерии, когда она делит; и две гигантские плазмиды, каждая из которых содержит примерно вдвое меньше генов, чем хромосома. Плазмиды представляют собой круглые куски ДНК, которые являются более подвижными, чем хромосомная ДНК, и являются местом горизонтального переноса генов, позволяя бактериям приобретать новые гены у своих соседей. По словам Хита, горизонтальный перенос генов даже позволяет бактериям подбирать гены, необходимые для того, чтобы они стали ризобией.
Marshall-Colón и постдокторский исследователь Ризван Риаз провели подробный статистический анализ и моделирование генной сети, чтобы определить, какие ризобиальные гены коррелировали с более надежным ростом растений. Справочные геномы были полезны для понимания, какие гены присутствовали и где они находились в хромосомной или плазмидной ДНК. Это привело к открытию, что многие из интересующих генов были объединены в плазмидах.
Дальнейшие эксперименты, возглавляемые профессором и соавтором исследования штата Северная Дакота. Барни Геддесвключал удаление указанных генов. У. И. И. Микробиология аспирант Иван Соса Маркес проверил влияние этих делеций на рост растений, подтвердив, что идентифицированные гены были важны для повышения роста растений.
«Мы не пытаемся сказать, что это важные гены во всей ризобии во всех бобовых», – сказал Хит. «Но мы получаем понимание уровня вариаций, на котором действует естественный отбор».
Исследование предлагает широкую картину одного набора С. Мелилоти Гены, «которые имеют только некоторые штаммы и которые, по -видимому, повышают рост одного вида бобовых. Сами гены менее повсеместно применимы, чем разработанный нами подход, который, вероятно, применим ко многим другим областям», – сказал Хит.
«Эти аспекты микробной генетики, которые мы используем, являются теми, которые имеют значение для продуктивности сельского хозяйства, для роста скота и для здоровья человека», – сказала она. «Именно эти гены движутся, и мы не знаем, почему. И они работают с остальным геномом действительно сложными способами».
Хит и Маршалл-Колон являются аффилированными лицами Институт геномной биологии Carl R. Woese в U. I.
Национальный научный фонд, Мексика, Мексика, поддерживается этой работой.
Примечания редактора:
Чтобы добраться до Кэти Хит, напишите [email protected].
Доступная бумага «Кластеры мобильных генов и коэкспрессированные пути растительного-разобия способствуют вариации качества партнера в симбиозе» доступны в Интернете.
Doi: /10.1073/pnas.2411831122
2025-07-28 19:03:00
1753730222
#Исследование #идентифицирует #генные #кластеры #ризобии #связанные #надежным #ростом #бобовых #Бюро #новостей
Ещё по этой теме
