Управление специфичностью бобово-ризобиального симбиоза для повышения эффективности азотфиксации

Коллективом исследователей ФГБНУ ВНИИСХМ под руководством к.б.н. Владимира Александровича Жукова в сотрудничестве с учёными Научно-технологического университета «Сириус» и Федерального исследовательского центра «Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова» была изучена проблема специфичности взаимодействия гороха посевного (Pisumsativum L.) с клубеньковыми бактериями и показана возможность управления этой специфичностью для повышения урожайности гороха в условиях применения биопрепаратов, содержащих клубеньковые бактерии.

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. Решением этой проблемы может стать подход, который предложил академик РАН, профессор Игорь Анатольевич Тихонович: искусственное сужение специфичности взаимодействия гороха с клубеньковыми бактериями для того, чтобы в клубеньки могли проникнуть лишь определённые штаммы.

Дикие разновидности гороха из Афганистана обладают именно этим свойством – они способны взаимодействовать с очень узким кругом штаммов клубеньковых бактерий. Данная особенность определяется аллельным состоянием гена Sym2, кодирующего рецептор сигнальных молекул, выделяемых бактериями. Ранее была получена интрогрессионная линия А33.18, несущая «афганскую» аллель гена Sym2 от дикого гороха в геноме европейского сорта Rondo. В настоящем исследовании был секвенирован геном этой линии и было установлено, что линия А33.18 унаследовала от «афганского гороха» фрагмент размером 18.2 Mb, содержащий 63 гена, в числе которых Sym2. В полевом эксперименте была проведена инокуляция растений исходного сорта Rondo и интрогрессионной линии А33.18 штаммом клубеньковых бактерий ТОМ, способным проникать в клубеньки «афганского гороха». С использованием специально разработанной тест-системы, основанной на ПЦР и рестрикции, было установлено, что наличие «афганской» аллели Sym2 в гомозиготном состоянии у А33.18 обеспечивает проникновение штамма ТОМ, использованного для инокуляции, в 95% клубеньков, в то время как у растений исходного сорта Rondo штамм ТОМ был обнаружен лишь в 7% клубеньков, а остальные клубеньки были образованы аборигенными штаммами бактерий. Таким образом, экспериментально подтверждена возможность манипулирования специфичностью симбиоза, позволяющая защитить растения от аборигенной микрофлоры и обеспечить образование клубеньков с высокоэффективными штаммами, вносимыми в составе биопрепаратов.

Дальнейшая работа будет направлена на разработку технологии геномного редактирования последовательности гена Sym2, а также на разработку подходов маркер-опосредованной селекции, для придания современным сортам гороха свойства высокой специфичности симбиоза

Результаты исследования опубликованы в журнале Plants: https://www.mdpi.com/2223-7747/14/3/427