ФГБНУ ВНИИСХМ
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии"
- Версия для слабовидящих
Симбиоз гороха с клубеньковыми бактериями является примером высокоспецифичного взаимодействия. Горох, как и другие бобовые растения, выделяет в составе корневых экссудатов молекулы флавоноидной природы, которые привлекают ризобий определённого вида – Rhizobium leguminosarum – и активируют у них экспрессию симбиотических генов. В свою очередь, ризобии выделяют сигнальные молекулы – Nod-факторы, – которые распознаются рецепторами растения. В случае успешного опознавания бактерий как подходящих симбионтов растение запускает программу развития новых органов – азотфиксирующих клубеньков – и позволяет бактериям проникнуть внутрь них.
Структура Nod-факторов, выделяемых конкретным штаммом ризобий, определяется набором его симбиотических генов. Разновидности гороха, происходящие из Афганистана, образуют клубеньки только со штаммами Rhizobium leguminosarum, имеющими в геноме ген nodX, кодирующий ацетилтрансферазу, модифицирующую структуру Nod-фактора. В свою очередь, современные европейские сорта гороха взаимодействуют со штаммами Rhizobium leguminosarum независимо от наличия у них гена nodX. Проявление признака специфичности со стороны растения контролируется геном Sym2, наиболее вероятным кандидатом на роль которого является ген LykX, идентифицированный нами несколько лет назад (Sulima et al., 2017). Ген LykX кодирует рецепторную киназу, вероятно, вовлечённую в распознавание структуры Nod-факторов. Аллельное состояние LykX уникально у образцов гороха из Афганистана и отличается от последовательности LykX у европейских сортов. Недавно был идентифицирован новый аллельный вариант LykX у образцов гороха из Таджикистана, отличающийся от европейских аллелей единственной заменой, которая, вероятно, влияет на проявление признака специфичности симбиоза (Sulima et al., 2019).
Современные сорта гороха способны взаимодействовать с широким кругом штаммов клубеньковых бактерий, обитающих в почвах Российской Федерации, однако этим штаммам свойственна невысокая эффективность азотфиксации. Отселектированные штаммы, используемые в биопрепаратах нового поколения, напротив, эффективно фиксируют азот, однако проигрывают конкуренцию с аборигенными штаммами при внесении их в почву. Решить эту проблему можно, создав сорта гороха с искусственно суженной специфичностью взаимодействия с клубеньковыми бактериями, что позволит защитить растения от аборигенной микрофлоры и обеспечит образование клубеньков с высокоэффективными штаммами, вносимыми в составе биопрепаратов.
Для достижения этой цели в рамках совместного проекта с НТУ «Сириус» проводится геномное редактирование гена гороха LykX, кодирующего рецептор сигнальных молекул, определяющий специфичность взаимодействия с клубеньковыми бактериями. В полевом эксперименте показано, что интрогрессия «диких» аллелей гена LykX в геном гороха сорта Рондо обеспечивает проникновение штамма ТОМ (несущего ген nodX), использованного для инокуляции, в 95% клубеньков, в то время как у исходного сорта Рондо штамм ТОМ обнаружен лишь в 7% клубеньков (Sulima et al., 2025). В ходе текущей работы проводится оптимизация методики геномного редактирования гороха для создания технологии, позволяющей направленно сужать специфичность взаимодействия современных сортов гороха, тем самым гарантируя образование высокоэффективной микробно-растительной системы в полевых условиях.
Интересно, что определённое аллельное состояние указанного гена LykX ассоциировано с повышенной семенной продуктивностью при выращивании растений в симбиотических условиях (Sulima et al., 2017; Zhukov et al., 2021b). Этот результат также свидетельствует о важности управления сигнальными взаимодействиями микроорганизмов и растений для достижения высокой урожайности сельскохозяйственных культур.
