اخبار – برای میلیون ها سال، قارچ های زیرزمینی در همزیستی با ریشه های گیاهان زندگی می کنند. گیاهان کربن فتوسنتز شده را فراهم می کنند، در حالی که قارچ ها آب و مواد مغذی را تامین می کنند. برای انجام این کار، این موجودات فضایی را در مقیاس سلولی به اشتراک می‌گذارند: قارچ‌ها شبکه‌ای از شاخک‌ها به نام آربوسکول را به داخل سلول‌های ریشه گیاه می‌کشند و دو موجود زنده سلول‌های خود را در اطراف این ساختار دوباره مرتب می‌کنند تا اشتراک‌گذاری را تسهیل کنند.
اخیراً، محققان توانستند هر دو طرف این تعامل را با استفاده از توالی‌یابی RNA برای درک بیان ژن از نزدیک بررسی کنند: یکی از اولین مطالعات ترانویسی بین پادشاهی‌ها تا به امروز. این مقاله است مقاله جلد برای شماره آوریل 2024 گیاهان طبیعی.
ما می‌خواستیم ماهیت این همزیستی را در سطح سلولی بهتر درک کنیم – تا واقعاً بفهمیم که چگونه این دو نوع سلول [of two different organisms] بنجامین کول، نویسنده ارشد این اثر، گفت: بدون سر و صدا یا سایر فعالیت های بیولوژیکی محله اطراف، با یکدیگر تعامل داشته باشند. کول یک دانشمند پژوهشی در مؤسسه ژنوم مشترک (JGI) وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) است، یک دفتر کاربر علوم DOE واقع در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی).
یک درک خاص از این همزیستی می‌تواند در جهت‌های مختلف پیشرفت‌هایی را ارائه دهد. از جنبه قارچی، شبکه‌های میکوریز زیرزمینی می‌توانند به عنوان مخزن ترکیبات کربنی که گیاهان از دی اکسید کربنی که جذب می‌کنند تولید می‌کنند، عمل کنند. بنابراین، تقویت این همزیستی می تواند روش خاک را بهبود بخشد فروشگاه کربن از جو برای گیاهان، تقویت این رابطه می تواند مواد اولیه سوخت های زیستی را که در مزارع فقیر از مواد مغذی رشد می کنند، بهبود بخشد. کارن سرانو می گوید: «این تعاملی است که به گیاهان اجازه می دهد در این محیط ها بهتر زنده بمانند. او اولین نویسنده این مقاله و محقق فارغ التحصیل در موسسه انرژی زیستی متحد (JBEI) است.
کول کار را با همکاری JBEI به عنوان بخشی از برنامه تحقیق و توسعه هدایت شده آزمایشگاهی (LDRD) در سال 2021 رهبری کرد. کول همچنین یک DOE دریافت کرد. برنامه تحقیقات شغلی اولیه (ECRP) جایزه در سال 2021، که تا حدی با هدف ساختن این اثر است. مارگو بزروتچیک، همکار سابق فوق دکتری JGI، به طور گسترده با کول و سرانو برای جمع آوری و تجزیه و تحلیل این آهنگ همکاری کرد. هسته ها و داده‌های رونویسی فضایی که این کار استفاده می‌کند.
این آزمایش ها روی دو گونه به طور همزمان متمرکز شدند: گونه های گیاهی مدل Medicago truncatula و قارچ میکوریز Rhizophagus irregularis. برای دیدن نحوه همکاری این موجودات، این تیم رشد کرد M. truncatula از دانه، سپس معرفی شد R. irregularis اسپور روی نهال ها به طوری که قارچ بتواند ریشه های گیاه را مستعمره کند. سپس، در مقایسه با نهال‌های شاهد که کلونیزاسیون قارچی نداشتند، از روش‌های متعددی برای بررسی بیان ژن در سلول‌های گیاهی و قارچی استفاده کردند.
با استفاده از تکنیکی به نام RNA تک رشته ای ترتیب دهیمحققان انواع مختلفی از سلول ها را در داخل شناسایی کردند M. truncatula سلول های ریشه و بیان ژن آنها را مشخص کرد. سپس با تکنیکی به نام ترانسکریپتومیکس فضایی، نقشه هایی از بیان ژن تولید کردند. این تکنیک رونویسی فضایی به آنها این امکان را می‌دهد که بیان ژن را در کره‌هایی با قطر تقریباً 55 میکرون – تقریباً به عرض یک موی انسان – درک کنند. در چنین وضوحی، این داده‌های رونویسی فضایی هم سلول‌های گیاهی و هم سلول‌های قارچی را در بر می‌گیرند.
سرانو گفت: «از آنجایی که این فناوری تنها بر گرفتن رونوشت پلی آدنیله – هر RNAی که از یوکاریوت ها باشد – متکی است، ما توانستیم رونوشت های گیاهی و قارچی را ضبط کنیم. این تیم بیان بیش از 12000 ژن قارچی، علاوه بر ژن‌های گیاهی مرتبط را اندازه‌گیری کرد.
در مجموع، این داده ها نمای دقیقی از فعالیت گیاهی و قارچی در مراحل مختلف این همزیستی ارائه می دهند. در این کار، سرانو، کول و تیم آنها بیش از 1000 ژن تنظیم شده را پیدا کردند که 188 مورد از آنها با مطالعات قبلی در همان سیستم مشترک بود. با توصیف عملکردی مناسب، این ژن ها می توانند به شماره گیری برای تنظیم این همزیستی تبدیل شوند. اینها کاندیدای عالی برای مهندسی ژنتیک هستند. امیدواریم که جامعه به عنوان یک کل از این روند پیروی کند، “سرانو گفت.
این کار بر روی یک سیستم مدل نسبتاً درک شده تمرکز دارد، بنابراین جهت‌های آینده نیز شامل هدف‌گیری خواهد بود سوخت زیستی مواد خام در چنین مطالعاتی می‌خواهیم همزیستی میکوریزای آربوسکولار را در سایر علف‌های انرژی‌زا مانند سورگوم و فسکیو بررسی کنیم. اکنون ما در حال بهینه سازی سیستم ها هستیم تا بتوانیم آنها را به کار ببندیم.”
انتشار: Serrano K، Bezrutczyk M و همکاران. همکاری رونویسی فضایی مراحل مجزای همزیستی میکوریزی آربوسکولار را نشان می دهد. گیاهان نات. آوریل 2024 doi: 10.1038/s41477-024-01666-3
***
مؤسسه ژنوم مشترک وزارت انرژی ایالات متحده، دفتر علوم کاربران DOE در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، متعهد به پیشرفت است ژنومیکس در حمایت از ماموریت های DOE مربوط به تولید انرژی پاک و خصوصیات محیطی و پاکسازی. JGI توالی یابی و تحلیل محاسباتی یکپارچه ای را ارائه می دهد که رویکردهای علمی مبتنی بر سیستم را برای این چالش ها امکان پذیر می کند. دنبال می کنم @jgi بر لینکدین و اچ.
دفتر علوم DOE بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Science.energy.gov.
موسسه مشترک انرژی زیستی DOE است تحقیق در مورد انرژی زیستی این مرکز توسط آزمایشگاه برکلی مدیریت می شود. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به jbei.org.