Z mnoha nepolapitelných grálů zemědělské biotechnologie se schopnost udělit dusíku fixaci dusíku do jiných než luštěninových rostlin, jako jsou obiloviny, stojí na samém vrcholu.
Je to obrovská výzva, protože luštěniny spolupracují s bakteriemi zvanými rhizobia v symbiotickém valčíku, který umožňuje rostlinám čerpat obživu ze vzduchu a překonávat potřebu ekologicky škodlivých chemických hnojiv. Přirozený proces je ústředním bodem praxe střídání plodin, široce používaný k zabránění vyčerpání půdy plodinami, jako je kukuřice, které závisí na aplikaci syntetických hnojiv.
Skutečnost, že dva odlišné a velmi vzdáleně příbuzné organismy – rostlina a bakterie – mohou spolupracovat při provádění výkonu života udržujícího dusíku z atmosféry, je jen jednou z výzev, kterým rostlinní inženýři čelí, když se snaží propůjčují tuto kvalitu dalším důležitým plodinám.
Odpověď na tuto výzvu však může být o jeden velký krok blíže vydáním obrovského atlasu rostlinných a bakteriálních proteinů ve hře, zatímco probíhá symbiotický proces mezi rostlinou a mikrobem.
V aktuální Nature Biotechnology, skupina z University of Wisconsin-Madison podrobně popisuje více než 23 000 rostlinných a bakteriálních proteinů a molekulární kontroly, kterými provádějí prospěšný vztah. Atlas, možná dosud nejvyčerpávající proteomický inventář jakéhokoli druhu, do nejmenších detailů ukazuje souhru proteinů, když rhizobie kolonizují kořenové uzliny na modelové luštěnině Medicago truncatula.
„Do proteomu můžeme vidět hlouběji než kdy předtím,“vysvětluje Joshua Coon, profesor biomolekulární chemie a chemie UW-Madison a odpovídající autor nového atlasu. "Jsme schopni použít technologii k poskytnutí bezprecedentního pohledu na tyto proteiny."
Tento nový obrázek, říká, posouvá naše chápání mechaniky fixace dusíku na bezprecedentní úroveň detailů. Vzhledem k tomu, že proteiny jsou regulovány geny, nový atlas by mohl v konečném důsledku pomoci při vytváření strategie pro inženýrství schopnosti luštěnin vázat dusík do jiných rostlin.
"Propojení informací o proteinech s genetickými sítěmi je důležité," poznamenává Jean-Michel Ane, profesor bakteriologie na UW-Madison, rovněž odpovídající autor nové zprávy. "Umožňuje nám to vidět vzorce korelací genové exprese s proteiny."
Nový atlas byl sestaven pomocí nové výkonné technologie hmotnostní spektroskopie, říká Coon, přední odborník na techniku, která vědcům umožňuje analyzovat vzorek do mnoha jeho složek a měřit je do úžasných detailů."Složitost měření počtu proteinů ve vzorku je ohromující," říká Coon. "Znát geny nestačí. Existují miliony a miliardy způsobů, jak lze proteiny modifikovat, aby jim daly nové poslání. Všechny tyto informace na úrovni proteinů jsou nové a my se můžeme globálně podívat na všechny tyto molekuly a na to, jak jsou upraveny a vytvářejí nějaké předpovědi o funkci."
Novou studii, podporovanou převážně granty od National Science Foundation, vedl Harald Marx, postdoktorand v UW-Madison Genome Center; a Catherine Minogue, bývalá postgraduální studentka na katedře chemie UW-Madison. Na studii přispěli také Michael Sussman, profesor biochemie UW-Madison, a Sushmita Roy, profesorka biostatistiky a lékařské informatiky.
Wisconsinští vědci zdůrazňují, že zatímco nový atlas proteinů bude důležitou šifrou pro dekódování molekulárních detailů symbiózy fixace dusíku, cíl propůjčit tuto vlastnost rostlinám jiným než luštěniny zůstává ve vzdálené budoucnosti.
Wisconsinská práce byla provedena pomocí modelové luštěniny Medicago truncatula a jejího rhizobiálního symbionta Sinorhizobium meliloti, což je systém vyvinutý pro genetický výzkum asi před 20 lety.
"Je to velmi blízká příbuzná vojtěšce," říká Ane a odkazuje na luštěninu široce používanou v zemědělství jako součást systémů střídání plodin.
