_ Genele LSH asociate cu definirea formelor tulpinilor, florilor și frunzelor necesare pentru nodulii radiculari care fixează N

Oamenii de știință de la Cambridge au identificat doi factori genetici cruciali necesari pentru a produce organe rădăcinoase specializate care pot găzdui bacteriile fixatoare de azot în leguminoase, cum ar fi mazărea și fasole.

Într-o întorsătură surprinzătoare, regulatorii de dezvoltare care conferă identitatea acestor organe – cunoscuți sub denumirea de noduli – aparțin unei familii de factori de transcripție asociate mai frecvent cu definirea formelor tulpinilor, florilor și frunzelor. Acești factori sunt în general conservați în plante, ceea ce indică faptul că funcția lor de specificare a nodulilor în leguminoase este o inovație mai recentă.

Această descoperire semnificativă ne aduce cu un pas mai aproape de potențial proiectarea culturilor de cereale fără leguminoase, cum ar fi grâul, orezul și porumb pentru a dezvolta organe nodulare a rădăcinii pentru a găzdui bacteriile fixatoare de azot și pentru a reduce dependența noastră de îngrășămintele industriale cu azot produse prin procesul Haber Bosch, consumator de energie.

Această ultimă cercetare, condusă de dr. Katharina Schiessl, un cariera de dezvoltare Fellow la Sainsbury Laboratory Cambridge University (SLCU), se bazează pe descoperirile ei anterioare conform cărora același program genetic care stă la baza dezvoltării rădăcinilor laterale stă la baza inițierii nodulilor radiculari.

Dr. Descoperirea lui Schiessl ne duce un pas mai departe pe calea înțelegerii modului în care se stabilește această relație simbiotică între bacteriile benefice din sol și leguminoase și cum este menținută pentru a sprijini fixarea biologică a azotului. Odată cu descoperirea că leguminoasele reciclează programe genetice care sunt folosite de multe specii de plante, inclusiv cereale, sarcina de inginerie ar putea fi mult mai puțin complicată.

Publicat în Current Biology, „Hipocotil scurt sensibil la lumină. genele conferă identitate de nodul simbiotic leguminoasului Medicago truncatula”, a fost o colaborare între oamenii de știință care lucrează la SLCU, Crop Science Centre, John Innes Centre, Universitatea din Freiburg, Oklahoma State University și Royal Botanic Gardens, Kew.

Cercetările lor au identificat doi factori genetici, numiți HIPOCOTIL SCURT SENSIBIL LA LUMINĂ (LSH1/LSH2), promovează producerea de celule radiculare specializate care sunt necesare pentru a face din structura nodulului în curs de dezvoltare o locuință potrivită pentru bacteriile care fixează azotul - care conferă identitatea organului nodulului.

„Arătăm că doi membri ai familiei de factori de transcripție HIPOCOTIL SCURT SENSIBIL LA LUMINĂ (LSH) funcționează ca regulatori ai identității organelor nodulare”, a spus dr. Schiessl. „LSH1/LSH2 implică un program într-un țesut radicular numit cortex care facilitează formarea unui grup de celule care sunt infectabile și locuibile de bacterii la începutul dezvoltării nodulilor. La nivel molecular, aceasta implică inhibarea programului implicit de rădăcină laterală, controlând dinamica hormonilor vegetali auxină și citochinină și promovând expresia regulatorilor cheie de identitate a organelor nodulare identificate anterior, NODULE ROOT1/2 și factorul nuclear Y-A1.”

În rezumat, cercetarea arată că Țesuturile radiculare pot fi reprogramate prin programe de lăstari preexistente și include un model propus pentru specificarea dezvoltării nodulilor: activarea citochininei a expresiei NIN inițiază primordiul nodulului prin inducerea LBD16, care activează biosinteza locală de auxină pentru a conduce diviziunile celulare într-un mod comparabil cu iniţierea rădăcinii laterale. Activarea genelor LSH conferă apoi identitatea organului nodular.

„Această constatare conform căreia leguminoasele valorifică regulatorii de dezvoltare preexistenți și rețelele lor asociate din aval pentru a genera organe construite special cu forme și funcții noi este esențială pentru ingineria viitoare. de fixare biologică a azotului”, a spus dr. Schiessl.

Dr. Grupul de cercetare nou-format al lui Schiessl de la SLCU continuă să exploreze căile de reglementare și procesele celulare ale dezvoltării organelor induse de colonizatori, studiind nodulii rădăcinilor simbiotice și fierele parazitare.

Conferând identitatea organului nodulului rădăcină simbiotică

Acomodarea bacteriilor fixatoare de azot este endosimbiotică, în interiorul celulelor specializate din nodul rădăcină și necesită trei procese cheie: 1) recunoașterea bacteriilor ca prieteni, 2) invazia lor prietenoasă printr-un fir de infecție care se întinde de la părul rădăcină până la rădăcină. straturile interioare de țesut ale rădăcinii și 3) acomodarea bacteriilor fixatoare de azot în interiorul veziculelor celulelor specializate din nodul.

Interacțiunea simbiotică începe cu un schimb de semnale sofisticate care permit invazia prietenească de către bacterii prin părul rădăcinii și în straturile interioare de țesut, unde bacteriile se întâlnesc cu grupul de celule nou divizate care s-au specializat să preia bacteriile din interiorul veziculelor cu condiții adecvate pentru fixarea biologică a azotului - conversia azotului din aer în amoniac, o formă de azot disponibilă pentru plante.

În timp ce nodulii simbiotici din rădăcină sunt structuri specializate care sunt induse ca răspuns la bacteriile din sol care fixează azotul în rădăcinile leguminoaselor, cercetătorii au descoperit o reconectare a căilor de dezvoltare preexistente. cu funcții conservate observate în organele de lăstari supraterane atât ale plantelor leguminoase, cât și ale plantelor non-leguminoase, a fost implicată în conferirea identității nodulului rădăcină.

Acest lucru este similar cu cercetările anterioare ale dr. Schiessl, care a descoperit că plantele reciclează un genetic program utilizat în inițierea rădăcinilor laterale pentru a iniția și nodulii radiculari. Această nouă cercetare a identificat că programul genetic LSH1/LSH2, care este recunoscut ca fiind implicat în meristemele lăstarilor și limitele organelor din frunze și flori, a fost recrutat în rădăcini pentru a conferi identitatea nodulilor.

Cercetătorii au confirmat că Genele LSH funcționează ca regulatori și integratori cheie ai identității organelor nodulare și diferențiază nodulii de rădăcinile laterale pe partea de sus a programului de inițiere comun, asemănător rădăcinii laterale.

„Am arătat că LSH-urile promovează direct diviziunile celulare în rădăcină. cortexul care sprijină colonizarea bacteriană și promovează exprimarea genelor de identitate a organelor nodulare identificate anterior și binecunoscute NOOT1/NOOT2 și NF-YA1”, a spus dr. Schiessl.

(Fluierul)