_ Un interior uitați-vă la modul în care plantele și ciupercile micorizice cooperează

De milioane de ani, ciupercile subterane au trăit în simbioză cu rădăcinile plantelor. Plantele furnizează carbon fotosintetizat, în timp ce ciupercile furnizează apă și nutrienți. Pentru a face acest lucru, aceste organisme împart spațiul la scară celulară: ciupercile întind o rețea de vârle numite arbuscule în celulele rădăcinii unei plante, iar ambele organisme își rearanjează celulele în jurul acestei structuri pentru a facilita partajarea.

Recent. , cercetătorii au reușit să studieze ambele părți ale acestei interacțiuni de aproape, folosind secvențierea ARN pentru a înțelege expresia genelor: unul dintre primele studii de transcriptomică cu rezoluție spațială între regnuri până în prezent. Această lucrare apare ca articol de acoperire în Nature Plants.

„Am vrut să înțelegem mai bine natura acestei simbioze la nivel celular – să înțelegem cu adevărat modul în care cele două tipuri de celule [a două organisme diferite] interacționează cu unul pe altul, fără tot zgomotul sau alte activități biologice din vecinătatea din jur”, a spus Benjamin Cole, autor principal al acestei lucrări.

Cole este cercetător la Departamentul de Energie al SUA (DOE) Joint Genome Institute (JGI), o facilitate pentru utilizatorii DOE Office of Science situată la Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

O înțelegere specifică a acestei simbioze ar putea oferi îmbunătățiri în mai multe direcții. Pe partea ciupercilor, rețelele micorizice subterane pot servi ca un rezervor pentru compușii de carbon pe care plantele îi generează din dioxidul de carbon pe care îl preiau. În acest fel, încurajarea acestei simbioze ar putea îmbunătăți modul în care solurile stochează carbonul din atmosferă. Pentru plante, creșterea acestei relații ar putea îmbunătăți materiile prime pentru biocombustibili care cresc în câmpurile sărace în nutrienți.

„Aceasta este o interacțiune care permite plantelor să supraviețuiască mai bine în acele medii”, a spus Karen Serrano. Ea este prima autoare a acestei lucrări și cercetător absolvent la Joint BioEnergy Institute (JBEI).

Cole a condus munca în colaborare cu JBEI, ca parte a programului 2021 de cercetare și dezvoltare direcționată de laborator (LDRD). . Cole a primit, de asemenea, un premiu DOE Early Career Research Program (ECRP) în 2021, care își propune în parte să dezvolte această activitate. Fostul cercetător postdoctoral al JGI Margot Bezrutczyk a colaborat intens cu Cole și Serrano pentru a colecta și analiza nucleele unice și datele transcriptomice spațiale pe care le folosește această lucrare.

Aceste experimente s-au concentrat pe două specii simultan: specia model de leguminoase Medicago truncatula și ciupercile micorizice Rhizophagus irregularis.

Pentru a vedea cum cooperează aceste organisme, această echipă a aplicat sporii de R. irregularis direct la răsadurile de M. truncatula cultivate într-o cameră cu mediu controlat, astfel încât ciuperca să poată coloniza rădăcinile plantelor. Apoi, comparând cu răsaduri martor care nu au fost tratate cu ciuperci, ei au folosit mai multe abordări pentru a analiza expresia genelor atât în ​​celulele vegetale, cât și în celulele fungice.

Folosind o tehnică numită secvențiere ARN cu un singur nucleu, cercetătorii au identificat diferite tipurile de celule din celulele rădăcinii M. truncatula și au profilat expresia lor genică.

Apoi, cercetătorii au folosit o tehnică numită transcriptomică spațială pentru a genera hărți ale expresiei genelor. Această tehnică de transcriptomică spațială le-a permis să înțeleagă expresia genelor în zonele circulare de captură de aproximativ 55 de microni în diametru - aproximativ lățimea unui păr uman. La o astfel de rezoluție, aceste date de transcriptomică spațială au capturat informații moleculare atât de la celulele vegetale, cât și de la celulele fungice.

„Deoarece această tehnologie se bazează doar pe captarea transcripției poliadenilate – orice ARN care provine de la eucariote – am reușit să le captăm pe ambele. transcrieri de plante și ciuperci”, a spus Serrano. Această echipă a cuantificat expresia a peste 12.000 de gene fungice, în plus față de genele de plante asociate.

În totalitate, aceste date oferă o imagine granulară atât asupra activității plantelor, cât și asupra fungilor în diferite stadii ale acestei simbioze. În cadrul acelei activități, Serrano, Cole și echipa lor au găsit peste 1.000 de gene reglate în creștere, dintre care 188 au fost partajate cu studiile anterioare în același sistem. Cu o caracterizare funcțională corectă, acele gene ar putea deveni cadrane pentru reglarea acestei simbioze. „Aceștia sunt candidați grozavi pentru inginerie genetică. Speranța noastră este că comunitatea în general va urma acest lucru”, a spus Serrano.

Această lucrare s-a concentrat pe un sistem model relativ bine înțeles, așa că direcțiile viitoare vor fi, de asemenea, includ vizarea materiilor prime pentru biocombustibili în studii similare. „Am dori să analizăm simbioza micorizală arbusculară în alte ierburi bioenergetice, cum ar fi sorgul și iarba comutată. Acum optimizăm sistemele, astfel încât să le putem face să funcționeze”, a spus Cole.

(Fluierul)