Ny receptor involveret i symbiose mellem bælgplanter og kvælstoffikserende jordbakterier

Bælgplanter er i stand til at vokse i kvælstoffattige jordarter på grund af deres evne til at indgå i symbiose med kvælstoffikserende bakterier. Der er stor interesse i at bruge viden om denne symbiose for kunne overføre denne til ikke-symbiotiske planter. Et internationalt forskerhold er nu kommet et skridt videre til at forstå denne komplekse biologiske proces.

04.07.2018 | Lisbeth Heilesen

Receptoren kaldet NFRe bidrager til kvælstoffastfikserende symbiotisk signalering. Ved tilstedeværelsen af jordbakterien rhizobia er vildtypeplanter (WT) større, har flere skud (pil), flere blomster og formede frøkapsler (pilspids), mens nfre mutantplanter er kortere, og er lige begyndt at udvikle blomster, hvilket indikerer begrænset fitness. Foto: Murakami Ei-ichi og Simona Radutoiu.

Mikrober - hvad enten de er gavnlige eller skadelige - spiller en vigtig rolle i alle organismer, herunder planter. Evnen til at overvåge de omgivende mikrober er derfor afgørende for overlevelsen af en art. For eksempel er rødderne på en jordplante omgivet af et miljø rigt på mikrober, og den har derfor udviklet sofistikerede overvågningsmekanismer.

I modsætning til de fleste andre planter er bælgplanter, såsom bønner, ærter eller linser, i stand til at vokse i kvælstoffattige jordarter ved hjælp af mikrober. I en proces kaldet rodknoldesymbiose, danner bælgfrugter et nyt organ kaldet knolden, hvor specifikke jordbakterier, kaldet rhizobia, holder til. Inde i knolden omdanner rhizobia atmosfærisk kvælstof til ammonium, der leveres til planten, der øger væksten. Bælgplanten leverer til gengæld kulstof til bakterierne, der muliggør deres meget energikrævende fiksering af kvælstof.

Samspillet mellem bælgplanteplanter og rhizobium bakterier er meget selektivt. Tidligere undersøgelser har vist, at planterne er i stand til at identificere specifikke signalmolekyler frembragt af de symbiotiske rhizobium bakterier. Især er et genkendelsessystem, kaldet Nodfaktor-signalering, afgørende for, om der skabes et værtsforhold eller ej mellem bælgplanten og rhizobium.

For at påbegynde symbiosen bruger bælgplanten specifikke receptorproteiner, som kan genkende Nodfaktormolekylerne produceret af bakterierne. To af Nodfaktorreceptorer, NFR1 og NFR5, er velkendte. De tilhører en stor familie af såkaldte LysM receptor kinase proteiner, hvilket tyder på, at andre lignende receptorer ligeledes kan være involveret i Nodfaktor signalering.

Et internationalt hold forskere fra Danmark, Italien, Frankrig og Japan har nu identificeret funktionen for en anden LysM receptor kinase, kaldet NRFe, ved at studere en modelbælgplante kaldet Lotus japonicus. Resultaterne viste, at NFRe og NFR1 har samme særlige biokemiske og molekylære egenskaber. NRFe udtrykkes primært i cellerne i et bestemt område på overfladen af rødderne. Sammenlignet med NFR1 har NFRe en begrænset signalkapacitet begrænset til det ydre rodcellelag. Når NRFe blev muteret, blev mindre Nodfaktorsignalering aktiveret inde i roden og færre rodknolde blev dannet.

Receptorer af typen NFR1 er også fundet i andre slags planter end bælgplanter, der ikke danner et symbiotisk forhold med rhizobium bakterier. Identifikation af receptorer, der er vigtige for Nodfaktorsignalering, kunne danne grundlag for nye bioteknologiske mål i ikke-symbiotiske afgrøder for at forbedre deres vækst under næringsfattige forhold.

Resultaterne er netop offentliggjort I det international tidsskrift eLife:

Murakami Ei-ichi, Cheng Jeryl, Gysel Kira, Bozsoki Zoltan, Kawaharada Yasuyuki, Hjuler Christian Toftegaard, Sørensen Kasper Kildegaard, Tao Ke, Kelly Simon, Venice Francesco, Genre Andrea, Thygesen Mikkel Boas, de Jong Noor, Vinther Maria, Bødker Jensen Dorthe, Jørgen Jensen Knud, Blaise Mickael, Heegaard Madsen Lene, Røjkjær Andersen Kasper, Stougaard Jens and Radutoiu Simona: Epidermal LysM receptor ensures robust symbiotic signalling in Lotus japonicas

Arbejdet var finansieret af DNRF79- CARB Centre, og the ENSA project – Engineering Nitrogen symbiosis for Africa -  der er støttet af Bill and Melinda Gates Foundation.


Mere information

Lektor Simona Radutoiu
Institut for Molekylærbiologi og Genetik
Aarhus Universitet
radutoiu@mbg.au.dk – 8715 5498

Forskning