Milioni godina, podzemne gljive žive u simbiozi sa korenjem biljaka. Biljke obezbeđuju fotosintetizovani ugljenik, dok gljive isporučuju vodu i hranljive materije. Da bi to uradili, ovi organizmi dele prostor na ćelijskoj skali: gljive protežu mrežu vitica zvanih arbuskule u ćelije korena biljke, a oba organizma preuređuju svoje ćelije oko ove strukture kako bi olakšali deljenje.
Nedavno su istraživači bili u mogućnosti da izbliza prouče obe strane ove interakcije, koristeći sekvenciranje RNK da bi razumeli ekspresiju gena: jedna od prvih studija transkriptomije koja je prostorno rešena među kraljevstvima do danas. Ovaj rad se pojavljuje kao naslovni članak u časopisu Prirodne biljke.
„Želeli smo da bolje razumemo prirodu ove simbioze na ćelijskom nivou – zaista razumemo kako ta dva tipa ćelija [dva različita organizma] međusobno deluju, bez sve buke ili druge biološke aktivnosti okolnog susedstva“, rekao je Bendžamin Kol, stariji autor ovog dela.
Kol je naučnik istraživač u Zajedničkom institutu za genom (JGI) Ministarstva energetike SAD (DOE), kancelariji za korisnike Kancelarije za nauku koja se nalazi u Nacionalnoj laboratoriji Lorens Berkeli (Berkeley Lab).
Specifično razumevanje ove simbioze moglo bi da ponudi poboljšanja u više pravaca. Što se tiče gljivica, podzemne mikorizne mreže mogu poslužiti kao rezervoar za jedinjenja ugljenika koja biljke stvaraju iz ugljen-dioksida koji unose. Na ovaj način, podsticanje ove simbioze moglo bi da poboljša način na koji tla skladište ugljenik iz atmosfere. Za biljke, jačanje ovog odnosa moglo bi poboljšati sirovine biogoriva koje rastu u poljima siromašnim hranljivim materijama.
„Ovo je jedna interakcija koja omogućava biljkama da bolje prežive u tim okruženjima“, rekla je Karen Serano. Ona je prvi autor ovog rada i diplomirani istraživač na Joint BioEnergi Institute (JBEI).
Kol je vodio rad u saradnji sa JBEI u okviru programa Laboratorijski usmerenog istraživanja i razvoja (LDRD) 2021. Kol je takođe dobio nagradu DOE Programa za rano istraživanje karijere (ECRP) 2021. godine, koja delimično ima za cilj da se nadoveže na ovaj rad. Bivši postdoktorski naučnik JGI Margot Bezrutczik je intenzivno sarađivao sa Coleom i Serranom na prikupljanju i analizi pojedinačnih jezgara i podataka o prostornoj transkriptomiji koje ovaj rad koristi.
Ovi eksperimenti su se fokusirali na dve vrste odjednom: modelnu vrstu mahunarki Medicago truncatula i mikorizne gljive Rhizophagus irregularis.
Da bi videli kako ovi organizmi sarađuju, ovaj tim je primenio spore R. irregularis direktno na sadnice M. truncatula koje su uzgajane u komori sa kontrolisanim okruženjem kako bi gljiva mogla da kolonizuje korenje biljaka. Zatim, u poređenju sa kontrolnim sadnicama koje nisu tretirane gljivama, koristili su višestruke pristupe da bi sagledali ekspresiju gena iu biljnim i gljivičnim ćelijama.
Koristeći tehniku koja se naziva sekvenciranje RNK u jednom jezgru, istraživači su identifikovali različite tipove ćelija unutar ćelija korena M. truncatula i profilisali njihovu ekspresiju gena.
Zatim su istraživači koristili tehniku zvanu prostorna transkriptomika da bi generisali mape ekspresije gena. Ova tehnika prostorne transkriptomije omogućila im je da razumeju ekspresiju gena unutar kružnih oblasti hvatanja prečnika otprilike 55 mikrona – otprilike širine ljudske kose. U takvoj rezoluciji, ovi podaci o prostornoj transkriptomiji su uhvatili molekularne informacije i iz biljnih i iz gljivičnih ćelija.
„Pošto se ova tehnologija oslanja samo na hvatanje poliadenilovanog transkripta – bilo koje RNK koja potiče od eukariota – bili smo u mogućnosti da uhvatimo i biljne i gljivične transkripte“, rekao je Serano. Ovaj tim je kvantifikovao ekspresiju preko 12.000 gljivičnih gena, pored povezanih biljnih gena.
Sve u svemu, ovi podaci nude detaljan prikaz aktivnosti biljaka i gljiva u različitim fazama ove simbioze. U okviru te aktivnosti, Serano, Cole i njihov tim pronašli su preko 1.000 poboljšanih gena, od kojih je 188 podeljeno sa prethodnim studijama u istom sistemu. Sa pravom funkcionalnom karakterizacijom, ti geni bi mogli postati brojčanici za podešavanje ove simbioze. „To su sjajni kandidati za genetski inženjering. Nadamo se da će šira zajednica to pratiti“, rekao je Serano.
Ovaj rad se fokusirao na relativno dobro shvaćen sistem modela, tako da će budući pravci takođe uključivati ciljanje sirovina biogoriva u sličnim studijama. „Želeli bismo da pogledamo simbiozu arbuskularne mikorize u drugim bioenergetskim travama, kao što su sirak i trava. Sada optimizujemo sisteme da bismo mogli da ih nateramo da rade“, rekao je Kol.
