Симбиоз с азотфиксирующими бактериями может дать растениям экологическое преимущество. Несмотря на это, способность к такому партнерству удивительным образом неоднократно терялась в ходе эволюции, как показывают генетические анализы. Предки современных культурных растений, таких как клубника, ежевика или яблоня, также утратили способность к симбиозу. Но почему?
Все растения нуждаются в достаточном количестве питательных веществ, таких как азот, для своего роста. Следовательно, симбиоз с азотфиксирующими бактериями может дать им экологическое преимущество: бактерии размещаются растениями в специальных корневых клубеньках и снабжаются источниками углерода. Для этого они извлекают из воздуха вожделенный азот и делают его доступным для растений.
Виды, способные к симбиозу корневых клубеньков, сегодня происходят из четырех родственных отрядов цветковых растений, которые включают многие сельскохозяйственно важные виды, например бобы, горох и соевые бобы. Ученые предполагают, что развитие этого партнерства стало возможным благодаря генетическим изменениям у общего предка видов в этом роде.
Неожиданная потеря
„Тем не менее, только десять из 28 семейств растений в этой группе могут образовывать азотфиксирующие корневые клубеньки. И даже в девяти из этих десяти семейств большинство родов не живут симбиотически», - говорит Мартин Парниске из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене. Чтобы выяснить генетические причины этого рассеянного симбиоза корневых клубеньков, исследователь и его коллеги изучили образцы ДНК десяти видов с различными типами клубеньков и бактериальными симбионтами.
Затем они включили расшифрованные таким образом геномы в полногеномное сравнение с 37 видами растений. Удивительный результат этого анализа: многие члены рассматриваемой семейной группы утратили способность к симбиозу в ходе своей эволюции, включая ценные культурные растения, такие как клубника, ежевика или яблоки.
Очевидное преимущество
„Нам удалось показать, что ген NIN, необходимый для симбиоза корневых клубеньков, несколько раз независимо мутировал в разных линиях. Таким образом, эта способность присутствовала у общего предка линий, но снова была утрачена в больших масштабах из-за эволюционного давления», - сообщает коллега Парниске Максимилиан Гризманн.
«Это было совершенно неожиданное открытие, потому что во многих наземных экосистемах доступность азота ограничивает рост растений, поэтому можно было бы ожидать, что симбиоз принесет избирательное преимущество», - добавляет Парниске. Так как же можно объяснить эту, казалось бы, неблагоприятную потерю?
Отбор в ущерб симбиозу
У ученых есть несколько объяснений этому: По их мнению, одной из возможных причин могут быть паразитические бактерии, которые колонизируют корневые клубеньки и вытягивают энергию из растения, не отдавая обратно азот. В этом случае потеря симбиоза была бы эволюционной адаптацией к неблагоприятной для растения ситуации.
Другие сценарии также могут привести к потерям - например, постоянный избыток азота или если другие факторы, такие как наличие воды или фосфата, ограничивают рост растений в экосистеме.
В синтетической биологии существуют подходы, направленные на перенос клубенькового симбиоза на культуры, которые изначально не вступают в партнерские отношения с азотфиксирующими бактериями. Потому что таким образом можно было сэкономить азотные удобрения. «Наши результаты показывают, что существует эволюционный отбор против симбиоза корневых клубеньков. Проекты такого типа должны учитывать это в будущем», - заключает соавтор Клаус Майер из Helmholtz Zentrum München.