Исследователи из программы системной, синтетической и физической биологии Университета Райса подробно рассказали, как растения эволюционировали, чтобы требовать питательных веществ, используя удобные бактерии в качестве службы доставки.
В их открытом доступе в Science Advances рассказывается о том, как растения воспринимают местную среду и, при необходимости, производят и выделяют молекулы, называемые флавоноидами.
Эти молекулы привлекают микробы, которые заражают растения и образуют узелки азота – там, где образуется пища – у их корней.
Когда азот присутствует и доступен, растения не нужно заказывать. Их способность ощущать присутствие поблизости медленно высвобождающегося источника азота, органического углерода, является ключевым фактором.
«Это великолепный пример эволюции: растения меняют пару групп (кислород / водород) здесь и там во флавоноиде, и это позволяет им использовать почвенные условия, чтобы контролировать, с какими микробами они разговаривают», – сказала биогеохимик Райс Кэролайн Масиелло, специалист по биогеохимии. соавтор исследования.
Команда Райса в сотрудничестве с исследователями из Корнельского университета специально проанализировала, как флавоноиды опосредуют взаимодействия между растениями и микробами в зависимости от наличия абиотического (неживого) углерода. Их эксперименты показали, к их удивлению, что избыток растворенного, а не твердого углерода в почве эффективно гасит сигналы флавоноидов.
По мнению исследователей, понимание того, как углерод в почве влияет на эти сигналы, может дать способ спроектировать полезные взаимодействия между растениями и микробами и разработать эффективные поправки на почву (добавки, которые уравновешивают дефицит в почве). Растения используют флавоноиды в качестве защитного механизма против корневых патогенов и могут манипулировать производимым ими органическим углеродом, чтобы препятствовать передаче сигналов между микробами и другими растениями, которые конкурируют за одни и те же питательные вещества.
В целом они показали, что более высокий уровень органического углерода в почве подавляет сигналы флавоноидов до 98%. В одной серии экспериментов прерывание сигналов между бобовыми растениями и микробами резко сокращало образование азотных клубеньков.
Аспирантка Райс Иленн Дель Валле начала исследование, когда заинтересовалась тонкими различиями между тысячами флавоноидов и тем, как они влияют на связи между растениями и микробами в почве.
«Мы изучили, как различные поправки в почве изменяют то, как микробы общаются друг с другом», – сказал Дель Валле, соавтор статьи с бывшим научным сотрудником Корнельского университета Тарой Вебстер. «Следующий вопрос заключался в том, происходит ли это, когда микробы общаются с растениями.
«Мы знали, что растения модулируют симбиоз с микробами через молекулы флавоноидов», – сказала она. «Поэтому мы хотели узнать, как флавоноиды взаимодействуют с почвенными добавками, используемыми для различных целей в сельском хозяйстве."
Поскольку она считает двух профессоров Райса – Масиелло и синтетического биолога Джоффа Силберга – своими советниками, у нее был доступ к инструментам из обеих дисциплин, чтобы обнаружить механизмы, лежащие в основе этих тонкостей.
«Мы пришли к выводу, что biochar окажет большой эффект», – сказал Силберг. "Biochar – это древесный уголь, созданный для сельскохозяйственных культур, и хорошо известно, что он влияет на сигналы микробов и микробов. У него большая площадь поверхности, и флавоноиды тоже выглядят липкими.
Люди думали, что будут придерживаться biochar.
"Они не.
Вместо этого мы обнаружили, что растворенный углерод, движущийся через воду в почве, влияет на сигналы ", – сказал он. "Это сильно отличалось от всех наших ожиданий."
Команда Райса и Корнелла провела эксперименты с почвами лугов, ферм и лесов, а затем смешала три немного разных флавоноида: нарингенин, кверцетин и лютеолин.
Они обнаружили наиболее драматические эффекты при наличии растворенного углерода, полученного из растительного вещества или компоста.
Растения используют нарингенин, вариант флавоноида, придающий грейпфруту горький вкус, и лютеолин, содержащийся в листьях и многих овощах, чтобы вызвать фиксацию азота микробами. Их способность обнаруживать микробы была ограничена. Кверцетин, который также содержится в таких продуктах, как капуста и красный лук, и используется для защиты от вредителей, не постигла та же участь.
Масиелло отметил, что связь растений с микробами в почве обходится дорого.
«Эти отношения с симбионтами являются метаболически затратными», – сказала она. "Растения должны платить микробам фотосинтезированным сахаром, а взамен микробы добывают в почве питательные вещества. Микробные симбионты могут быть очень дорогими субподрядчиками, иногда забирая значительную часть фотосинтата растений.
«То, что показали Иленн и Тара, – это один из механизмов, с помощью которого растения могут контролировать, инвестируют ли они в дорогих симбионтов», – сказала она. "Среди широкого класса сигнальных соединений, используемых растениями для многих целей, один конкретный сигнал, связанный с питательными веществами, отключается высоким содержанием органического вещества почвы, которое является источником питательных веществ с медленным высвобождением. Сигнал растения, который говорит: «Давай живи с нами», не проходит.
"Это хорошо для растений, потому что это означает, что они не расходуют фотосинтез, поддерживая микробную помощь, в которой они не нуждаются. Иленн и Тара также показали, что сигналы, используемые для других целей, слегка химически модифицированы, поэтому на их передачу не влияет такая же скорость."
Исследователи проверили концентрацию флавоноидов в почве с помощью стандартной хроматографии, а также с помощью уникальных флуоресцентных и газовых биосенсоров, генетически модифицированных микробов, представленных в 2016 году при поддержке гранта Фонда Кека, который также поддержал текущий проект. Микробы выделяют газ, когда чувствуют определенное микробное взаимодействие в непрозрачных материалах, таких как почва.
«Газовый датчик оказался очень полезным в экспериментах, которые выглядели как чай, где мы не могли отображать флуоресцентные сигналы», – сказал Силберг.