Prima hartă detaliată a relației dintre rădăcinile roșiilor și ciuperci
Cercetătorii de la VIB și Universitatea Ghent au realizat prima hartă detaliată, la nivel celular, a modului în care rădăcinile roșiilor reacționează la colonizarea de către ciupercile arbusculare micorizice.
Acești parteneri fungici antici ajută plantele să absoarbă nutrienți din sol. Studiul, publicat în Current Biology, dezvăluie programele moleculare precise care se desfășoară pe măsură ce simbioza progresează prin diferite etape și identifică noi regleatori genetici promițători care ar putea fi utilizați pentru a crea culturi mai eficiente și durabile.
O cercetare la nivel unicelular realizată de cercetătorii VIB-UGent, conduși de Prof. Sofie Goormachtig, a arătat cum rădăcinile roșiilor reacționează la ciupercile arbusculare micorizice.
Activitatea genelor a fost cartografiată în aproape 66.000 de celule individuale ale rădăcinilor colonizate de ciuperca Rhizophagus irregularis.
Cercetătorii au identificat patru etape succesive ale colonizării fungice și dezvoltării schimbului de nutrienți.
Aceste descoperiri ar putea ajuta la dezvoltarea unor culturi care utilizează nutrienții mai eficient și reduc dependența de îngrășămintele sintetice.
Ciupercile arbusculare micorizice formează simbioze cu majoritatea plantelor terestre, o relație care datează de peste 400 de milioane de ani. În schimbul zaharurilor furnizate de plantă, ciupercile îmbunătățesc dramatic accesul plantei la fosfor, azot și alți nutrienți, ceea ce reduce necesitatea îngrășămintelor chimice.
Cu toate acestea, în ciuda decadelor de cercetări, detaliile moleculare ale modului în care plantele acomodează structurile fungice numite arbucule – principalele locuri de schimb de nutrienți – în interiorul celulelor lor de rădăcină au rămas slab înțelese, în mare parte deoarece diferitele etape de colonizare au loc simultan în aceeași rădăcină, făcându-le greu de separat prin metode convenționale.
Pentru a aborda această provocare, echipa condusă de Prof. Sofie Goormachtig, cu ajutorul VIB Single Cell Core, a folosit o tehnologie de vârf care citește activitatea genelor în celule individuale, una câte una. Aplicată rădăcinilor de roșie colonizate de ciuperca Rhizophagus irregularis, această abordare a generat profile de activitate a genelor pentru aproape 66.000 de celule individuale. Pentru a se asigura că echipa analiza materialul corespunzător, au folosit un marcaj fluorescent pentru a evidenția regiunile rădăcinii unde ciuperca era activ prezentă, permițându-le să se concentreze pe țesutul cel mai relevant.
În cadrul acestui set de date, cercetătorii au identificat un grup de celule care au reacționat specific la colonizarea fungică.
„Am descoperit patru etape succesive ale interacțiunii”, explică Dr. Naomi Stuer. „Celulele de la suprafața rădăcinii care simt ciuperca care sosește, celulele interioare care se pregătesc să o primească, celulele aflate în procesul de construire a structurilor de schimb de nutrienți și, în final, celulele care găzduiesc structuri fungice complet funcționale pregătite pentru comerțul cu nutrienți. Fiecare etapă are propria semnătură moleculară caracteristică, ceea ce ne ajută să înțelegem cum planta își reconfigurează treptat celulele pe măsură ce parteneriatul se dezvoltă.”
Pentru a descoperi care comutatoare moleculare, cunoscute sub numele de factori de transcripție, controlează fiecare etapă, echipa a folosit MINI-EX, un instrument computațional pentru a prezice care regleatori controlează care gene. Analiza a confirmat mulți regleatori deja cunoscuți ca având un rol în această simbioză, dar a descoperit și mai mulți candidați care nu au fost suspectați anterior. Trei dintre acești noi candidați au fost apoi testați direct în rădăcinile de roșie vii, unde au arătat exact activitatea specifică etapei pe care instrumentul computațional o prezisese.
Studiul a adus, de asemenea, câteva perspective mai largi. În primul rând, o cale de semnalizare cheie, despre care se credea anterior că acționează doar la suprafața rădăcinii, se dovedește că rămâne activă mult mai adânc în interiorul rădăcinii, pe parcursul formării structurilor de schimb de nutrienți fungici. Părți ale acestei căi ar putea ajuta la pregătirea unor celule corticale interioare specifice pentru formarea arbuculelor prin modificarea metabolismului și dezvoltării lor. Deoarece aceste celule arată identic cu alte celule corticale interioare, au rămas în mare parte neexploatate, făcând ca acest set de date să fie una dintre primele priviri asupra proceselor timpurii care preced formarea arbuculelor. În cele din urmă, celulele care găzduiesc arbucule fungice mature par să integreze informații despre starea generală a nutrienților plantei, sugerând că planta își ajustează cu atenție cât de mult investește în simbioză în funcție de cât de bine hrănită este deja.
„Ceea ce mă entuziasmează cel mai mult în legătură cu acest set de date este că nu doar confirmă ceea ce suspectam; deschide porți complet noi”, a spus Dr. Judith Van Dingenen. „Acum putem identifica, cu o rezoluție la nivel unicelular, care gene sunt activate sau dezactivate în fiecare etapă a colonizării fungice și putem începe să ne întrebăm de ce.”
Înțelegerea logicii moleculare a simbiozei micorizice are o relevanță practică directă: plantele care formează parteneriate mai eficiente cu ciupercile pot accesa nutrienți din sol mai eficient, reducând dependența de îngrășăminte sintetice și îmbunătățind rezistența în condiții de stres. Setul de date și regleatorii candidați identificați în acest studiu reprezintă o resursă valoroasă pentru eforturile viitoare de optimizare a simbiozei în culturi.
