Исследованы гены грибов, обитающих в корнях растений

Симбиотическая связь грибов и растений — древний и широко представленный в природе тип взаимодействия. Особую роль в этих взаимоотношениях играют корни. Существуют различные типы ассоциации корней и микобиоты, и если микориза, ее происхождение и роль в биоценозах изучены хорошо, то место эндофитных грибов в картине взаимодействия микроорганизмов и растений остается неясным.

Чтобы лучше охарактеризовать эволюцию и функции эндофитной микобиоты, международная команда исследователей провела геномный и транскриптомный анализ грибов, обитающих в корнях Arabidopsis thaliana. Это растение не образует микоризу. Ученые работали с 41 изолятом эндофитных грибов, полученных ранее из корней диких европейских популяций A. thaliana и родственных растений семейства капустные. Согласно данным секвенирования участка ITS1 рДНК, эти изоляты представляют три филума, 26 родов и 38 видов, что говорит о филогенетическом разнообразии материала.

Все изоляты секвенировали на платформе PacBio, с помощью которой можно получать длинные риды. Транскриптомы для аннотации геномов получили с помощью платформы Illumina. В сравнительный геномный анализ включили 79 дополнительных геномов грибов, ассоциированных с растениями. Авторы использовали вычислительные методы для выявления генов-ортологов у разных видов и предсказания образа жизни и эволюционных траекторий грибов по представленности определенных групп генов.

Оказалось, что к эндофитному образу жизни могут переходить грибы разных экологических ниш. Так, представители классов Agaricomycetes и Mortierellomycetes из корневой микобиоты A. thaliana произошли, скорее всего, от почвенных сапротрофов, а представители Dothideomycetes и Sordariomycete — от патогенов.

Ученые доказали, что ключевым фактором для определения репертуара генов, отвечающих за взаимодействие с растением, является образ жизни. У исследуемых изолятов широко были представлены гены, характерные для известных эндофитов, но не для микоризообразователей, сапротрофов или патогенов. Авторы выделили шесть кластеров таких генов. В частности, в них вошли гены углеводных транспортеров и гены, вовлеченные в метаболизм углеводов и аминокислот.

Воздействие грибов на физиологию растений изучили, заражая изолятами свободные от микроорганизмов растения A. thaliana в нормальной среде и среде с дефицитом фосфора. В бедной среде грибы проявляли себя более агрессивно и угнетали рост хозяев, но в нормальных условиях некоторые из них проявили себя как полезные симбионты. Анализ нагрузки различных грибов в естественных условиях выявил преобладание видов с высоким патогенным потенциалом по сравнению с полезными видами.

Ученые выбрали шесть изолятов, филогенетически далеких друг от друга, и проанализировали их транскриптомы при колонизации A. thaliana в бедной среде. Все изоляты демонстрировали оверэкспрессию общей группы генов, отвечающих за разложение целлюлозы, ксилана и пектинов — последними особенно богата клеточная стенка A. thaliana. С угнетением роста растения ассоциировался ген пектат-лиазы PL1_7.

По мнению авторов, репертуар ферментов, разрушающих клеточную стенку растения, является ключевой детерминантой способности колонизировать корни. Кроме того, их наличие объясняет потенциальную патогенность грибов, которая проявляется в неоптимальных условиях.

Результаты исследования важны для понимания природы взаимоотношений растений и грибов. Они могут быть использованы для предотвращения негативных эффектов от колонизации корней грибами и повышения продуктивности растений.