קטניות משגשגות בסביבות דלות חנקן על ידי שיתוף פעולה עם rhizobia, חיידקי קרקע הממירים חנקן אטמוספרי לאמוניום, צורה שמישה לצמחים. חיידקים מועילים אלו שוכנים בגושי שורש שנוצרו על שורשי קטניות. עם זאת, היווצרות בלתי מבוקרת של גושי שורש רבים עלולה לעכב את תפקוד השורש. כדי למנוע זאת, קטניות צריכות לווסת את התפוצה ואת מספר גושי השורש, אך המנגנונים המדויקים לא היו ברורים בעבר.
מחקר אחרון על לוטוס ג'פוניקוס, דגם צמח קטניות, חשף כי האינטראקציה בין שורשי קטניות ל-rhizobia מאופיינת בביטוי גנים תקופתי עם קצב של שש שעות. ביטוי גנים קצבי זה משפיע על אזורי השורש הרגישים לזיהום rhizobial ועל התפלגות הגושים. כמו כן, התגלה כי הורמון הצמח ציטוקינין חיוני לשמירה על קצב ביטוי גנים זה. מחקר פורץ דרך זה, שפורסם ב מַדָעהוא מאמץ שיתופי שנערך על ידי המכון הלאומי לביולוגיה בסיסית, מכון נארה למדע וטכנולוגיה, אוניברסיטת הוקאידו, אוניברסיטת קוונסי גאקוין, RIKEN ואוניברסיטת איצ'י לחינוך.
כאשר rhizobia מדביקה שורשי קטניות, תאי אפידרמיס שורש יוצרים חוטי זיהום, מבנים דמויי צינורות קרומיים שמובילים את החיידקים לרקמת השורש הפנימית שם הם יכולים לתקן חנקן. זיהום Rhizobial מתרחש בעיקר באזור שורש צר ממש מאחורי קצה השורש, המכונה האזור הרגיש. יצירת התא המתמשך בקצה השורש יוצר ללא הרף אזורים רגישים חדשים. באופן אידיאלי, חוטי זיהום יתפזרו באופן שווה בכל השורש. עם זאת, בחינה מדוקדקת יותר מגלה דפוס של חוטי זיהום שנוצרו בצפיפות המתחלפים עם אזורים דלילים יותר, דבר המצביע על תגובות לסירוגין ולא מתמשכות לריזוביה. חסרים מחקרים מפורטים על התגובה הדינמית של שורשים ל-rhizobia לאורך זמן.
באמצעות הדמיה חיה של זוהר עם לוציפראז ככתב, צוות המחקר הבחין כי NSP1 ביטוי גנים, המושרה במהירות בתגובה ל-rhizobia וחיוני לתהליך ההדבקה, הציג דפוסי תנודות במרווחים של כשש שעות באזור הרגיש. ככל שהשורש גדל, אתרי ביטוי חדשים הופיעו נקודתית לאזורי התנודה הקודמים. "שמנו לב שאזורי התנודה הללו עולים בקנה אחד עם אזורים שבהם חוטי זיהום נוצרים בצפיפות, מה שגרם לנו לחשוב שביטוי גנים קצבי זה עשוי להיות קשור לקביעת אתרי היווצרות גושים", אמר ד"ר טאקאשי סויאנו, פרופסור חבר במכון הלאומי. לביולוגיה בסיסית, חבר בצוות המחקר. בהתאם לתפיסה זו, נוצרה אוכלוסייה גדולה של גושי שורש באזור התנודה, דבר המצביע על קשר בין ביטוי גנים קצבי להיווצרות גושים. גנים אחרים החיוניים לתגובות מוקדמות במהלך סימביוזת גושים הציגו גם דפוסי ביטוי תנודתיים, מה שסימן את העדות הראשונה לביטוי גנים תקופתי בתגובה ל-rhizobia.
ציטוקינין, מווסת מפתח בסימביוזה של גושים שורשיים, שומר על ביטוי גנים נדנוד זה. גנים הקשורים לביו-סינתזה של ציטוקינין, חילוף חומרים ואיתות הפגינו ביטוי נדנוד לאחר חיסון rhizobial. הדמיית זוהר באמצעות סמן תגובת הציטוקינין TCSn חשפה תגובות ציטוקינין מתנודדות, התואמות את התזמון של תנודות בתכולת הציטוקינין הפעילים.
המחקר השתמש במוטנטים של קולטן ציטוקינין LHK1 כדי לחקור את תפקידו של ציטוקינין במחזוריות ביטוי הגנים. במוטנטים חסרי LHK1 פונקציונלי, מרווחי תנודה של המחזור NSP1 הביטוי היה ממושך, והרחיב את אזור השורש שבו NSP1 הביטוי מתנודד. לעומת זאת, בצמחים שעברו טרנספורמציה עם צורה מופעלת של LHK1, ההשראה של NSP1 הביטוי דוכא, מה שהוביל לאובדן המחזוריות שלו. ה NSP1 אזור התנודה עלה בקנה אחד עם האזור שיצר חוטי זיהום צפופים. ה lhk1 מוטנטים עם אובדן תפקוד הראו מקטעי שורש מוגדלים שיצרו חוטי זיהום צפופים, בעוד שה-LHK1 הפעיל הפחית את צפיפות חוטי הזיהום. ממצאים אלה מדגישים את החשיבות של תגובת ציטוקינין נכונה בשמירה על התנודה הסימביוטית והבטחת הפצת חוט זיהום מתאימה.
סימביוזה של קשרי שורש מתרחשת בקלייד המונופילטי מקבע חנקן, כולל ארבעה סדרים, Fabales, Rosales, Cucurbitales ו-Fagales, מה שמצביע על רכישה אבולוציונית משותפת לאינטראקציה עם חיידקים מקבעי חנקן. ביניהן, משפחת הקטניות מסדר Fabales, שבה רוב המינים עסוקים בסימביוזה של גושים שורשים, שילבה באופן ייחודי את מסלול הציטוקינין כמודול רגולטורי חשוב לסימביוזה.
הגילוי של תגובות ציטוקינין תקופתיות היה בלתי צפוי, והעלה מספר שאלות, כולל המנגנונים המולקולריים שמבססים את המחזוריות הזו וכיצד תגובות תקופתיות אלו מעצבות את אזורי הזיהום".
ד"ר טקאשי סויאנו, פרופסור חבר, המכון הלאומי לביולוגיה בסיסית
ההתייחסות לשאלות אלו צפויה להעמיק את ההבנה של מנגנוני הוויסות של סימביוזה של קשריות שורשים ולקדם את המחקר על הבקרה המרחבית של התפתחות איברים באמצעות תגובות תקופתיות המתווכות על ידי הורמונים צמחיים.
