Излишками азота от симбиотических бактерий гриб платит термитам за распространение своих спор

Рис. 1. Схема созревания спор гриба Guyanagaster necrorhizus. В его плодовых телах живут азотфиксирующие бактерии (показаны желтым на схеме), интенсивность деятельности которых возрастает по мере созревания спор (при этом, как видно, цвет внутренней ткани плодового тела меняется от почти белого до темно-красного). В верхней половине схемы изображен процесс созревания спор на поперечном срезе плодового тела, в нижней половине показаны изменения его внешнего вида. Когда споры созревают (и концентрация азота в тканях плодового тела становится большой), ткани плодового тела начинают разрушаться, и внутрь заползают термиты, которым требуется азот (правые изображения на схеме). Пока они лакомятся богатыми азотом тканями гриба, на них налипают споры, которые затем разносятся термитами. Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology

Каких только сложных симбиотических отношений между живыми организмами не найдешь в природе! Но описанная недавно симбиотическая система южноамериканского гриба Guyanagaster necrorhizus впечатлит даже самого искушенного биолога. В плодовых телах этого гриба живут азотфиксирующие бактерии. Это само по себе очень необычно для грибов, но G. necrorhizus пошел дальше: бактерии обогащают ткани гриба азотом, что привлекает термитов, которым этот химический элемент необходим. Лакомясь богатыми азотом тканями, термиты «пачкаются» спорами и затем разносят их вокруг. Таким образом, G. necrorhizus — первый гриб, для которого достоверно установлено, что он использует «труд» членистоногих для размножения.

Грибы — большие любители симбиотических отношений. Хрестоматийные примеры — микориза (симбиоз гриба и растения) и лишайники (являющие собой содружество грибов и водорослей). «Элементы» много раз рассказывали о самых разных видах симбиотических взаимоотношений с участием грибов, вот лишь несколько примеров: Взаимовыгодный симбиоз гриба и водоросли может сформироваться мгновенно («Элементы», 07.07.2014), Третий — не лишний: в большинстве лишайников присутствуют два гриба и водоросль («Элементы», 20.09.2016), В ходе эволюционного эксперимента патогенный гриб превратился в полезного симбионта («Элементы», 06.11.2018), Выращивание монокультур — ключ к эффективности сельского хозяйства у термитов («Элементы», 24.11.2009), Симбиоз птиц и грибов («Элементы», 29.01.2019). Недавно копилка грибов-симбионтов пополнилась еще одним любопытным примером: на страницах журнала Current Biology были описаны крайне необычные симбиотические отношения гриба Guyanagaster necrorhizus сразу с двумя группами организмов — бактериями и термитами.

Guyanagaster necrorhizus относится к базидиомицетам. Этот гриб — эндемик Гвианского нагорья в Южной Америке. Чтобы определить, за счет чего он живет, авторы обсуждаемой работы секвенировали его геном. Оказалось, что у этого гриба есть гены, продукты которых разлагают компоненты клеточных стенок растений — лигнин, целлюлозу, гемицеллюлозу и пектин. Следовательно, заключили авторы, G. necrorhizus специализируется на разложении древесины. Эти биоинформатические данные подтверждаются наблюдениями за грибом в его естественной среде обитания: он, как правило, растет на корнях деревьев, причем там, где он растет, наблюдаются признаки гниения (рис. 2). Именно разлагающиеся корни растений служат пищей для G. necrorhizus. Однако примечателен этот гриб совсем другим.

Рис. 2. A — плодовое тело G. necrorhizus, поднимающееся из гниющего корня. B — корень, поврежденный G. necrorhizus. C — еще один корень, поврежденный G. necrorhizus, в котором видны следы разложения древесины (белесый налет). D–G — последовательные стадии развития плодового тела от самого незрелого (D) к полностью зрелому (G). Длина масштабных отрезков — 1 см. Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology

Авторы обнаружили, что в плодовых телах G. necrorhizus обитают азотфиксирующие бактерии из группы Enterobacteriaceae. Эти бактерии обладают специальным ферментом — нитрогеназой, который позволяет фиксировать атмосферный азот, то есть переводить его в аммиак — биологически доступную форму, в которой азот могут усваивать другие живые организмы. Бактерии, обитающие в грибах G. necrorhizus, получают крышу над головой и необходимую для работы нитрогеназы анаэробную среду обитания (плотная оболочка плодового тела не пропускает атмосферный кислород), а гриб — собственный источник азота, которого так мало в разлагаемой им древесине. На данный момент описано всего лишь несколько примеров симбиотических отношений между грибами и азотфиксирующими бактериями, а случаев, при которых азотфиксирующие бактерии жили бы в плодовых телах грибов не в составе лишайников, ранее вообще не было известно.

По степени созревания плодовые тела G. necrorhizus делят на четыре группы. Тела первой степени созревания имеют белую глебу (внутреннюю рыхлую ткань плодового тела) и не содержат зрелых спор, тела второй группы — светло-розовую глебу и незрелые споры, тела третьей группы — темно-розовую или оранжево-красную глебу и незрелые споры, а тела четвертой группы — темно-красную глебу, полностью зрелые споры и обильные слизистые выделения (см. рис. 2). Но зачем грибу может потребоваться держать в своих спороносных структурах азотфиксирующие бактерии?

Авторы работы отметили, что в полуразрушенных тканях корней, на которых растет G. necrorhizus, а также в его зрелых плодовых телах кишит множество термитов. Примечательно, что плодовые тела первых трех групп созревания термитов совершенно не привлекают. Кроме того, стоит отметить, что плодовые тела G. necrorhizus созревают очень медленно по сравнению с другими грибами (более двух лет), причем новые тела появляются на тех же корнях, которые уже облюбовали термиты. Поскольку плодовые тела созревают асинхронно, термиты постоянно «толкутся» вокруг гриба. Что же их так привлекает в спороносных структурах гриба?

Дело в том, что по своим пищевым предпочтениям обитающие в тех краях термиты очень близки к G. necrorhizus: они также, как и гриб, питаются древесиной. Рацион термитов очень беден белками, и, чтобы восполнить дефицит азота в пище, термиты часто «заводят» в своем пищеварительном тракте азотфиксирующие бактерии. Однако фиксация азота — процесс очень энергозатратный (на фиксацию одной молекулы атмосферного азота уходит до 16 молекул АТФ), и термиты при первой возможности переключаются на поглощение пищи, богатой азотом. Именно поэтому термиты так охотно переходят на поедание плодовых тел G. necrorhizus, в которых, как мы помним, обитают азотфиксирующие бактерии. Поедая глебу зрелых плодовых тел, термиты невольно покрываются спорами гриба и становятся их переносчиками. Таким образом, G. necrorhizus является первым описанным грибом, споры которого распространяются членистоногими.

Однако, если термиты будут поедать плодовые тела с незрелыми спорами, то гриб от этого пострадает. Исследователи выяснили, что незрелые плодовые тела существенно отличаются от зрелых по содержанию азота. Активность фиксации азота можно оценить, измерив активность фермента нитрогеназы, который, помимо фиксации молекул N₂, восстанавливает ацетилен в этилен. Ученые показали, что в незрелых плодовых телах восстановление ацетилена происходит менее активно, чем в зрелых. Содержание азота в полностью зрелых плодовых телах почти на 20% выше, чем в незрелых. Более детальный анализ позволил установить, что фиксация азота происходит в глебе.

Секвенирование ДНК, содержащейся в глебе, показало, что фиксацией азота в ней занимаются именно бактерии группы Enterobacteriaceae, которые ранее нечасто обнаруживали в грибных тканях в таких больших количествах. Примечательно, что в тех местах, где растет G. necrorhizus, почва также обогащена представителями группы Enterobacteriaceae. Авторы работы предположили, что гриб может каким-то образом влиять на состав микробного сообщества близкого к нему участка почвы, выделяя в почву специфические метаболиты. Однако ответить на вопрос, почему при созревании плодовых в них резко увеличиваются темпы фиксации азота, ученые пока не смогли.

Также ученые выяснили, что G. necrorhizus обзавелся массой приспособлений, обеспечивающих его подопечных бактерий оптимальными условиями для эффективной фиксации азота и привлечения термитов. Так, протеомный анализ показал, что в зрелых плодовых телах самыми многочисленными белками являются пируватдекарбоксилаза и алкогольдегидрогеназа — ферменты спиртового брожения. Авторы полагают, что эти ферменты участвуют в поддержании анаэробной среды, ведь нитрогеназа может работать только в отсутствие кислорода. Проникновению кислорода внутрь плодовых тел препятствует и их толстая, обильно пигментированная оболочка. Глеба зрелых плодовых тел, в отличие от незрелых, продуцирует особые вещества из группы терпеноидов, которые выступают в роли аттрактантов для термитов (тут стоит отметить, что большинство феромонов, выделяемых термитами, относится именно к этой группе веществ). Наконец, продукция липкой слизи в зрелых плодовых телах облегчает приклеивание спор к экзоскелету термитов, пришедших полакомиться богатой азотом глебой (рис. 3).

Рис. 3. Цикл созревания и распространения спор G. necrorhizus. Споры развиваются в плодовых телах, в которых по мере созревания увеличивается количество азотфиксирующих бактерий и общее содержание азота. От проникновения кислорода внутренности плодового тела защищает пигментированная плотная оболочка. Тканью зрелых плодовых тел питаются термиты, которые, поглощая богатую азотом пищу, становятся невольными переносчиками спор гриба и разносят их по другим корням деревьев. Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology

Пример G. necrorhizus чем-то напоминает историю с термитами подсемейства Macrotermitinae, которые специально выращивают грибы рода Termitomyces, чтобы использовать их в качестве источника азота вместо весьма энергетически накладной азотфиксации при участии кишечных бактерий. Но здесь, скорее, гриб использует термитов для того, чтобы распространять свои споры.

Источник: Rachel A. Koch, Gyeong Mee Yoon, Uma K. Aryal, Kathleen Lail, Mojgan Amirebrahimi, Kurt LaButti, Anna Lipzen, Robert Riley, Kerrie Barry, Bernard Henrissat, Igor V. Grigoriev, Joshua R. Herr, M. Catherine Aime. Symbiotic nitrogen fixation in the reproductive structures of a basidiomycete fungus // Current Biology. 2021. DOI: 10.1016/j.cub.2021.06.033.

Елизавета Минина