Бобовые растения обладают уникальной способностью взаимодействовать с азотфиксирующими бактериями в почве, известными как ризобии. Бобовые и ризобии вступают в симбиотические отношения при азотном голодании, позволяя растению процветать без необходимости получать азот извне. На корнях растений образуются симбиотические клубеньки, которые легко заселяются азотфиксирующими бактериями. Клеточно-поверхностный рецептор SYMRK (симбиозная рецептороподобная киназа) отвечает за передачу симбиотического сигнала от восприятия ризобиями до формирования клубенька. Механизм активации рецептора до недавнего времени был неизвестен.
В данном исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые выявили 4 важнейших участка фосфорилирования, которые служат катализаторами симбиотических отношений между бобовыми растениями и азотфиксирующими бактериями, сообщает научное издание EurekAlert!. Начальные этапы симбиотического пути на поверхности клетки хорошо изучены, однако понимание того, как сигнал передается вниз, ускользало от ученых в течение многих лет. Открытие участков фосфорилирования является важным шагом на пути к передаче способности формировать симбиотические отношения с азотфиксирующими бактериями сельскохозяйственным растениям.
«Мы знали, что рецептор и его активность необходимы для установления симбиоза, но не знали, как и почему. Фосфорилирование – распространенный механизм регуляции активности киназ, поэтому мы предположили, что функция SYMRK связана со специфическими фосфорилированиями», – объясняет Николай Абель, автор работы.
Благодаря сотрудничеству с лабораторией Оле Нёррегаарда Йенсена (Ole Nørregaard Jensen) из Университета Южной Дании было выявлено несколько участков фосфорилирования в различных областях киназы SYMRK. Исследователи смогли сузить круг важных участков, истощив или имитировав фосфорилирование in vivo. В частности, четыре участка в N-концевой области SYMRK при мутации давали сильные фенотипы.
«Мы изучили влияние сайт-специфических мутаций, создав варианты рецептора и внедрив их в растения, лишенные функционального рецептора SYMRK. Наблюдение спонтанного образования клубеньков без ризобий или их отсутствие указывает на то, что мы выбрали мишенью элемент, имеющий решающее значение для симбиотического пути», – рассказывает Николай Абель.
«Нам нужно было нанести участки фосфорилирования на структурную модель киназы SYMRK, чтобы понять, как они обеспечивают передачу сигнала. Мы выявили структурно консервативный мотив в N-концевой альфа-спиральной области, который мы назвали "мотив альфа-I". Эта область содержит четыре консервативных участка фосфорилирования», – объясняет Малита Нёргаард.
Долгосрочная цель – обеспечить симбиоз корневых клубеньков у таких важных культур, как ячмень, кукуруза и рис. Для их выращивания требуется большое количество азотных удобрений, что приводит к огромному выбросу CO2 в атмосферу и лишает мелких фермеров возможности получать стабильные урожаи.
Успешная идентификация участков фосфорилирования, имеющих решающее значение для запуска программы клубенькования у бобовых растений, позволяет исследователям считать, что новые знания имеют многообещающее значение для передачи азотфиксирующих признаков в сельскохозяйственные культуры.
[Изображение: Abel & Nørgaard et al. 2024]
