На первый взгляд, корни растений отличаются от кишечника животных. Однако, как и кишечник, корни отвечают за получение питательных веществ, взаимодействуют с устойчивыми микробными сообществами, а также делятся на сегменты с различными функциями.
Пробираясь сквозь почву, корни создают подземную сеть, отвечающую за крепление надземной части растения, поглощение воды и связь с окружающей средой. Различные сегменты корня, включая зону дифференциации, зону удлинения и кончик корня, неоднородны по своей архитектуре, экспрессии генов, иммунному состоянию и метаболическим профилям, и все это может влиять на корневую микробиоту.
Исследуя еще одно потенциальное сходство, микробиолог растений Элиза Лоо из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, изучила пространственную колонизацию растительной микробиоты. У животных члены микробиоты кишечника распределяются пространственно в зависимости от таких аспектов, как градиенты питательных и химических веществ. В исследовании, недавно опубликованном в журнале Cell Host & Microbe, Лоо и ее коллеги обнаружили, что пространственное распределение метаболитов, выделяемых корнями, аналогичным образом формирует микробное сообщество по всей их длине. Эти выводы позволяют понять взаимодействие растения-хозяина и микроорганизмов и могут способствовать инициативам в области здоровья растений, поскольку они указывают на способы модуляции микробиоты, что имеет значение для иммунного ответа растений, устойчивости к стрессу и многого другого. "Экстраполируя данные из области медицины, мы знаем, что микробиом влияет практически на все, что мы делаем", - отмечает Лоо. "Мы также показали, что микробиом корней растений не сильно отличается от микробиома человека".
Чтобы детально изучить взаимодействие корней и микроорганизмов, исследователи вырастили небольшое цветковое растение Arabidopsis thaliana и провели геномный, транскриптомный и метаболомный анализы сегментов корней размером всего два сантиметра. Поначалу Лоо было трудно аккуратно извлечь корни из почвы, не потревожив микробы, которые она надеялась идентифицировать. "Представьте себе, что если вы выдергиваете корень, вы смещаете микробиоту сверху вниз", - рассказывает она. "Но нам нельзя было тревожить корень".
Исследователи разработали новое и в то же время простое решение - систему выращивания в футлярах для компакт-дисков, которая позволила корням расти в одном слое, заключенном в тонкие пластиковые контейнеры. Когда корни были готовы к извлечению, ученые открывали футляры, чтобы получить доступ к содержимому внутри, как если бы они собирались вставить альбом любимой группы в свой CD-плеер.
Лоо и ее коллеги разработали систему выращивания под названием CD-Rhizotron, в которой для размещения почвы, микробов и рассады используются легко открывающиеся футляры для компакт-дисков. Фото: Eliza Loo.
Система CD-роста не полностью решила трудности исследователей при работе с A. thaliana. "Толщина корня, вероятно, такая же, как одна прядь моих волос", - говорит Лоо. "Выделить идеальный корень такой толщины, разрезать его на маленькие кусочки и собрать достаточное количество ДНК для профилирования микробиоты, одновременно убедившись, что... микробиота не нарушена, - это было чрезвычайно сложно". Тем не менее, исследователи не остановились на достигнутом и секвенировали бактерии, относящиеся к каждому сегменту корня, и обнаружили, что микробное сообщество действительно было пространственно организовано вдоль продольной оси каждого корня.
Затем ученые проверили метаболом корней, чтобы выяснить, коррелирует ли пространственное распределение микробиоты с выделяемыми корнями метаболитами. Известно, что различные участки корней выделяют различные соединения, и ученые предположили, что добавление сахара в почву помогает растениям привлекать полезные микроорганизмы. Чтобы лучше наблюдать за ростом корней и улучшить их рассечение перед проведением метаболомных исследований, исследователи должны были использовать среду для выращивания растений на основе агара. Однако для точной оценки метаболитов, выделяемых растениями, им пришлось разработать новую искусственную почву, в которой отсутствовал сахар, являющийся обычной добавкой в средах для выращивания растений. Используя сегменты корней, выращенных в новой почве "ArtSoil", исследователи провели нецелевую газовую хромато-масс-спектрометрию и обнаружили отдельные кластеры метаболитов, в основном углеводов и органических кислот, связанных с определенными сегментами корней в продольном пространственном распределении вдоль корня.
Большинство растений имеют ряд транспортеров сахара, которые распределяют углеводы. Чтобы определить, играют ли они роль в пространственной организации метаболитов, Лоо проанализировала общедоступные базы данных по экспрессии генов растений и обнаружила, что некоторые гены транспортеров сахара под названием SWEET имеют специфическое пространственное распределение вдоль корня A. thaliana. Вернувшись в свою лабораторию, Лоо обнаружила, что у растений, выращенных в стерильной среде, транспортеры SWEET оказываются в разных местах корня по сравнению с растениями, выращенными в содержащей бактерии почве ArtSoil. Группа Лоо также провела секвенирование бактериальной микробиоты во внутренних тканях растений и обнаружила, что различные виды A. thaliana, несущие мутации SWEET, имеют различную организацию сообщества по сравнению с растениями дикого типа. Кроме того, у мутантов было изменено содержание метаболитов.
"До сих пор это не было четко показано... эта концепция микрониш, и конечно, различные микроорганизмы, которые связаны с различными молодыми и старыми частями корней", - говорит Альга Зуккаро, исследователь взаимодействия растений и микробов из Кельнского университета, который не принимал участия в этом исследовании. "Самая сильная сторона работы заключается в том, что она действительно показывает, что существует пространственно разделенное событие переноса сахаров... и это коррелирует с присутствием и отсутствием различной микробиоты в этих различных областях корней".
Точный механизм, определяющий пространственную взаимосвязь микробиоты и транспортеров SWEET, пока не ясен. В будущих экспериментах Лоо надеется точно настроить корневой протокол - на эту необходимость обратил внимание и Зуккаро. "Следующим шагом будет получение еще более мелких фракций... и изучение отдельных клеток", - заметил Зуккаро. Это позволило бы исследователям определить пространственное распределение транспортеров не только в продольном направлении, но и от внешнего эпидермиса до внутреннего эндодермиса.
Данное исследование - первый шаг к сбору информации, полезной для разработки новых стратегий воздействия на здоровье растений путем модуляции микробиоты и выделения метаболитов. А пока одним из непосредственных результатов работы Лоо является ее влияние на то, как проводятся исследования взаимодействия растений и микроорганизмов. "Мы должны обращать внимание на то, какие среды мы используем, а также на наличие и отсутствие определенных питательных веществ, особенно сахаров", - говорит Зуккаро. "С этого момента нам придется действительно думать о корнях как об органе, в котором есть разные участки, колонизируемые по-разному".
