Биологи вычислили помощников безлистных орхидей

В тропических лесах встречаются и безлистные орхидные, живущие на стволах и в кронах деревьев. Сотрудники кафедры микробиологии МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с коллегами из Главного ботанического сада им. Н.В. Цицина РАН выяснили, что на корнях безлистных эпифитных орхидей Microcoelia moreauae и Chiloschista parishii обитают фотосинтезирующие и азотфиксирующие цианобактерии, помогающие растениям получать питательные вещества и справляться с дефицитом минерального питания. Исследование было выполнено при поддержке Минобрнауки РФ (соглашение № 075-15-2021-1396) в рамках Национального проекта «Наука и университеты». Результаты опубликованы в журнале Microorganisms.

Орхидные — одно из самых многочисленных семейств цветковых растений, при этом более 90% их биоразнообразия приходится на тропические широты. Около 70% из них живут на стволах и в кронах деревьев – такие растения называют эпифитными. Эпифиты, в отличие от почвенных растений, оказываются в специфических условиях: им приходится адаптироваться к недостатку влаги и избытку ультрафиолета. Приспособиться к ним помогают экономный метаболизм и наличие фотосинтезирующих воздушных корней, которые покрыты веламеном — особой гигроскопической фото- и механопротекторной тканью.

Помимо защитных функций, веламен служит еще и уникальной эконишей для грибов и бактерий. Ученые давно изучают данные микробные сообщества. Ранее микробиологам Московского университета удалось выяснить, что среди обитателей воздушных корней у зеленолистных орхидей присутствуют бактерии, благотворно влияющие на рост этих растений за счет азотфиксации и биосинтеза фитогормонов – ауксинов. Была отмечена важная роль цианобактериальных микробных сообществ для развития в воздушных корнях микоризных грибов, вступающих в симбиоз с орхидеями.

Среди обширного и удивительного семейства орхидных уникальными представителями являются малоизученные безлистные эпифитные орхидеи. Ради сбережения воды их листья редуцировались до мелких чешуек, а зеленые возушные корни полностью взяли на себя ассимилирующую и фотосинтезирующую роли. Этой группой эпифитов сегодня активно занимается команда сотрудников кафедры микробиологии МГУ. Ученые поставили перед собой задачу охарактеризовать структуру и состав цианобактериальных сообществ воздушных корней двух видов безлистных орхидей Chiloschista parishii Seidenf. и Microcoelia moreauae L. Jonss. Микробиологи предположили, что растения с редуцированными листьями окажутся более зависимыми от азотфиксирующих микроорганизмов, среди которых диазотрофные цианобактерии занимают лидирующие позиции, в том числе среди симбионтов растений. Кроме того, состав цианобактериальных обрастаний может отличаться между безлистными орхидеями и их облиственными родственниками.

Ученые отобрали пробы корней оранжерейных растений и выделили несколько изолятов ассоциативных цианобактерий, в том числе на безазотистой среде. С помощью секвенирования было исследовано таксономическое разнообразие культивируемых и некультивируемых представителей микробного сообщества фототрофных бактерий. Как и у облиственных орхидей нитчатые азотфиксирующие цианобактерии превалировали на корнях Chiloschista parishii и Microcoelia moreauae. Однако их видовой состав оказался значительно шире. Филогенетический анализ показал наличие семи основных доминирующих родов. Сканирующая электронная микроскопия дополнительно позволила разглядеть некоторые минорные группы симбионтов.

Хотя исследуемые орхидеи выращивают в той же оранжерее и при тех же условиях, что и ранее изученные облиственные эпифитные виды (Dendrobiummoschatum и Acampepraemorsa), на корнях безлистных орхидей цианобактерии формируют значительно более массивные биопленки. Сами же микробные консорциумы пластичны по своему составу, который зависит от стадии развития корня (молодые активно фотосинтезирующие корни лишены цианобактериальных обрастаний) и ряда абиотических факторов, в первую очередь, доступности соединений азота. Так, в лимитированных по азоту условиях наблюдается преимущественный рост таких азотфиксаторов как Leptolyngbya sp. и особенно Komarekiella sp., которая была обнаружена на орхидеях впервые.

Результаты проведенного исследования, по мнению ученых, демонстрируют тесные отношения безлистных орхидей со своими бактериальными партнёрами, преимущественно диазотрофными видами. Цианобактерии заселяют воздушные корни растений-хозяев, способствуя снабжению их питательными веществами, главным образом азотсодержащими соединениями, которые имеют огромное значение в дефицитных ресурсами тропических лесах.

В настоящее время симбиотические взаимодействия цианобактерий с различными организмами, так называемые синцианозы, привлекают пристальное внимание специалистов. Уже описаны тесные ассоциации этих микроорганизмов с лихенообразующими грибами, губками, саговниками и даже с цветковыми (Gunnera) растениями. Наиболее яркий пример такой растительно-цианобактериальной кооперации — водный папоротник Azolla и живущая в полостях его листьев цианобактерия Anabaena. Азоллу используют как биоудобрение, так как произрастая на рисовых полях, за счет симбиотической азотфиксации, происходит обогащение посевов дополнительным азотом.

«Для растений с практически полностью редуцированными листьями и отсутствием запасающих органов типа псевдобульб устойчивые взаимоотношения с полезными ассоциативными и симбиотическими бактериями крайне важны. Особая роль у азотфиксирующих цианобактерий, которые обитают на воздушных корнях этих орхидей. Идентификация изолятов и исследование состава микробных сообществ позволили нам получить очень интересные данные о взаимоотношениях растений и микробов, которые выгодны обеим сторонам», – Елена Цавкелова, старший научный сотрудник кафедры микробиологии биологического факультета МГУ.