Ett team av forskare ledda av Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har upptäckt den specifika genen som styr ett viktigt symbiotiskt förhållande mellan växter och marksvampar, och framgångsrikt underlättat symbiosen i en växt som vanligtvis motstår den. Upptäckten kan leda till utvecklingen av bioenergi och livsmedelsgrödor som tål svåra odlingsförhållanden, motstår patogener och skadedjur, kräver mindre kemisk gödning och producerar större och mer rikliga växter per hektar.
Forskare har under de senaste åren utvecklat en djupare förståelse för det komplexa förhållandet växter har med mykorrhizasvampar. När de förenas bildar svamparna ett hölje runt växtrötterna med anmärkningsvärda fördelar. Svampstrukturen sträcker sig långt från växtvärden, ökar näringsupptaget och kommunicerar till och med med andra växter för att "varna" för spridning av patogener och skadedjur. I gengäld matar växter kol till svampen, vilket uppmuntrar dess tillväxt.
Dessa mykorrhiza-symbioser tros ha stöttat den uråldriga koloniseringen av land av växter, vilket möjliggör framgångsrika ekosystem som stora skogar och prärier. Uppskattningsvis 80 % av växtarterna har mykorrhizasvampar förknippade med sina rötter.
"Om vi kan förstå den molekylära mekanismen som styr förhållandet mellan växter och nyttiga svampar, då kan vi börja använda denna symbios för att förvärva specifika förhållanden i växter som motståndskraft mot torka, patogener, förbättra kväve- och näringsupptaget och mer", säger ORNL molekylärgenetikern Jessy Labbe. "De resulterande växterna skulle växa sig större och behöva mindre vatten och gödningsmedel, till exempel."
Att hitta de genetiska triggers i en växt som gör att symbiosen kan uppstå har varit ett av de mest utmanande ämnena inom växtområdet. Upptäckten, beskriven i Naturväxter , kom efter 10 års forskning vid ORNL och partnerinstitutioner som utforskade sätt att producera bättre bioenergiråvarugrödor som Populus , eller poppelträdet. Arbetet åstadkoms genom förbättringar under det senaste decenniet i genomisk sekvensering, kvantitativ genetik och högpresterande beräkningar, kombinerat med experimentell biologi.
Forskarna studerade den symbios som bildas av vissa arter av Populus och svampen Laccaria bicolor (L. bicolor) . Teamet använde superdatorresurser vid Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science-användaranläggning vid ORNL, tillsammans med genomsekvenser producerade vid DOE Joint Genome Institute, en DOE Office of Science-användaranläggning vid Lawrence Berkeley National Laboratory, för att begränsa ner sökningen till ett speciellt receptorprotein, PtLecRLK1. När de väl hade identifierat den troliga kandidatgenen gick forskarna till labbet för att validera sina fynd.
Forskarna valde Arabidopsis , en växt som traditionellt inte interagerar med svampen L. bicolor , och anser till och med att det är ett hot, för deras experiment. De skapade en konstruerad version av växten som uttrycker PtLecRLK1-proteinet och inokulerade sedan växterna med svampen. Svampen L. bicolor helt omslöt växtens rotspetsar och bildade ett svamphölje som tyder på symbiotbildning.
"Vi visade att vi kan omvandla en icke-värd till en värd av denna symbiont," sa ORNL kvantitativ genetiker Wellington Muchero. "Om vi kan göra Arabidopsis interagerar med denna svamp, då tror vi att vi kan få andra biobränslegrödor som switchgrass eller livsmedelsgrödor som majs också att interagera och ge exakt samma fördelar. Det öppnar upp alla möjliga möjligheter i olika växtsystem. Överraskande nog är en gen allt du behöver.”
"Detta är en anmärkningsvärd prestation som kan leda till utvecklingen av bioenergigrödor med förmågan att överleva och frodas på marginella, icke-jordbruksmarker", säger CBI-chefen Jerry Tuskan. "Vi skulle kunna rikta in oss på så mycket som 20-40 miljoner hektar marginell mark med tåliga bioenergigrödor som behöver mindre vatten, vilket ökar utsikterna för framgångsrika landsbygdsbaserade, biobaserade ekonomier som tillhandahåller hållbara alternativ för bensin och industriella råvaror."
