В текущем раннем онлайн-выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences ведущий автор и доктор наук Минсу Ким, бывший студент бакалавриата Крис Уотерс и профессор Донг Ван из отдела биохимии и молекулярной биологии Университета Массачусетса Амхерст с коллегами из Благородного фонда в Оклахоме , сообщают, что люцерна, по-видимому, использует усовершенствованный процесс для более эффективной работы азотфиксирующих бактерий, ризобий, после того, как они попадают в почву для фиксации азота в специальных клубеньках на корнях растений.Как объясняют Ван и Ким, бобовые привлекают к своим корням азотфиксирующие бактерии из окружающей почвы. Попав внутрь растения-хозяина, ризобии образуют клубеньки на его корнях, и растение начинает преобразовывать бактерии в их азотфиксирующее состояние.
Взамен заимствования основных ферментов ризобий, которые превращают азот в полезный аммиак, растение дает бактериям фиксированный углерод, продукт фотосинтеза.У люцерны это преобразование бактерий называется дифференцировкой, которую Ван сравнивает с одомашниванием, поскольку она делает бактерии зависимыми от растения-хозяина. «Они больше не дикие и не могут жить вне растений», — говорит он. «Я считаю это аналогом одомашнивания животных людьми». Он добавляет: «Бактерии, которые больше не могут размножаться как свободноживущие особи, в этот момент немного похожи на рабов, живущих, чтобы служить растению».На молекулярном уровне растительные пептиды, обнаруженные исключительно в клубеньках, известные как пептиды NCR, действуют на бактерии в процессе дифференцировки.
По словам Ванга, изучая этот процесс дифференциации в люцерне-клевере, Medicago truncatula, исследователи обнаружили, что один из этих пептидов, DNF4, также известный как NCR211, может действовать как своего рода двойной агент. DNF4 поддерживает азотфиксирующие бактерии внутри растения, но его действия могут убивать свободноживущие бактерии снаружи.
«На первый взгляд может показаться озадачивающим, что DNF4 / NCR211 поддерживает выживание дифференцирующихся бактерий в растениях, а также блокирует образование колоний в культуре свободноживущими бактериями», — пишут Ван и Ким.Однако эти две активности могут фактически отражать аналогичное действие NCR211 на бактерии в разных физиологических состояниях.
Двойной эффект DNF4 / NCR211 может отражать механизм, гарантирующий, что ризобии остаются в должным образом дифференцированном состоянии, говорят авторы. Контроль хозяина за дифференцировкой бактерий развился во многих линиях бобовых, что указывает на возможное улучшение пригодности растения-хозяина. Более того, узелки с дифференцированными бактероидами приносили больше пользы хозяину. Любопытно, что наиболее экономически ценные бобовые, соя, похоже, не развили эту стратегию, открывая возможные пути повышения урожайности.
Ван говорит: «Мы еще не решили все это», но открытие пептидов NCR211, которые поддерживают выживаемость бактерий внутри клеток-хозяев, может оказаться ключевым фактором в будущих усилиях по улучшению бобовых культур без использования большего количества удобрений, что было бы очень важно. прогресс для сельского хозяйства в развивающихся странах и органического земледелия в развитом мире.«Далее мы хотим выяснить, почему этот пептид помогает бактериям внутри растения, но может убивать свободноживущие бактерии вне растения. Почему одна молекула действует как двойной агент?»
Ван говорит, что в сопутствующем исследовании, также опубликованном в PNAS, Price et al. в Университете Бригама Янга восстановили бактериальную пептидазу, способную разрушать пептиды NCR хозяина. «Эта коллекция открытий демонстрирует эволюционирующую природу контроля бактериальной дифференциации в классическом мутуализме микробов и хозяев», — заключают Ван и Ким.