Kommunikáció egy növény-baktérium szimbionta partner kapcsolatban
A gyökérgümők/ nodulusok/ a pillangós virágúak gyökérzetén a gyökérszőrös zónában kifejlődő sejtburjánzással létrejött gömbszerű képződmények, amelyeket különböző Rhizobium fajok hoznak létre. Ezek a baktériumok a gyökérgümőkben a gazdanövénnyel szimbiózisban élnek, egy új formává, bakteroidokká/ erősen módosult baktérium/ fejlődnek, amelyek ebben a rendszerben képesek a légköri nitrogén megkötésére, ammóniává alakítására.
A nitrogénkötő szimbiózis kialakulása során a pillangós virágú növényeken egy új szerv, a gyökérgümő jön létre A gümőkben az átalakult, mozgás képességét elvesztő és további osztódásokra most már képtelen specializált baktériumok a levegő nitrogén molekuláit ”megkötik”, pontosabban ammóniává redukálják, amely ebben a formában már a növény partner /gazdanövény/ számára is hasznosítható nitrogén forrás. A növény nitrogén anyagcseréje a továbbiakban már nem függ a talaj nitrogén tartalmától, míg cserébe a baktérium a növény fotoszintéziséből különböző szénvegyületekhez –cukrokhoz, szerves savakhoz –juthat. A szimbiózis kialakulása, a gümők kifejlődése bonyolult folyamat. A két partner térben és időben szorosan összehangolt „kommunikációjával” és szabályozott működésével valósul meg.
Az első jelek – a gyökérből leadott a „csalogató” flavonoid molekulák – a növényből erednek. A talajban szabadon mozgó Rhizobium baktériumok érzékelik ezeket a molekulákat, pozitív kemotaxissal vándorolnak a gyökérszőrökhöz miközben anyagcseréjük a szignál molekulák hatására gyökeresen megváltozik. A flavonoidok a baktériumok un gümőképzési/ nodulációs/ génjeit/ nod-gének/ kapcsolják be/ indukálják/ és így biztosítva lesz ezeknek a géneknek a működése és kifejeződése/expresszió/. A nodulációs gének által kódolt fehérjék/ Nod fehérjék/ zöme különleges lipo-oligoszacharid vázzal rendelkező sajátos gümőképző/ nodulációs /molekulákat /Nod faktorok/ szintetizál a baktériumban, amelyek a továbbiakban meghatározzák a baktérium és a gazdanövény különös kapcsolatát.
A bakteriális Nod faktorok hatására megindul a gazdanövény gyökér kéreg részében egy új szerv a szimbiotikus gyökérgümő kialakulása. Ennek során eddig néma növényi gének aktiválódnak először a gyökérsejtekben, később a fejlődő gümőben: a nodulin gének, amelyek két csoportját ismerjük. A korai nodulin gének/ Enod/ a kölcsönhatás kezdeti szakaszában/ gyökérszőrgörbülés, infekciós fonal, a kéregsejtek újra osztódása és a gümőkezdemény kialakulása/ szabályoznak. Ezek hatására a gyökérszőr csúcsi része begörbül, a baktériumot mintegy csapdába zárja. A tapadás helyén lízissel „kilyukad” a sejtfal, bejut a baktérium és kialakul az un infekciós csatorna, amelyben a kéreg mélyebb részei felé haladnak a Rhizobiumok szüntelenül osztódva. Az infekciós csatorna döntően növényi eredetű fala a kordon, amely tereli a behatoló mikrobákat és sejtfal poliszacharidjai révén védi őket a növény ősi védekezési reakcióitól. Ugyancsak a korai nodulációs gének indítják be és szabályozzák mélyebben a kéreg sejtjeinek újra osztódását és burjánzását, a gümő szerkezet kialakulását. Mikor az infekciós csatorna eléri ezt a területet már előkészített „lakótér” várja a közben népesre duzzadt baktérium csapatot. Itt a baktériumok lefűződnek az infekciós csatornáról és növényi eredetű un peribakteroid membránnal körülvéve jutnak csapatosan a gümősejt citoplazmájába. A baktérium ekkor elveszti mozgásképességét és tovább már nem osztódik itt alakul ki az endoszimbiotikus forma a bakteroid.
A késői nodulin/ Postnod / gének a gümőstruktura kialakulását követően lépnek működésbe. A szimbiotikus nitrogén kötés anyagcsere folyamataiban szerepet játszó fehérjéket kódolják. A legkülönösebb fehérje ezek között a gümők sárgás-rózsaszín színét adó leghemoglobin, amelynek mennyisége akár a gümő fehérjéinek 25%-át is elérheti. A molekula a hemoglobinhoz hasonló oxigén kötő és szállító fehérje. Oxigénaffinitása -a molekula nagyobb hem „zsebe” miatt -tízszer nagyobb mint a hemoglobiné, ezért gyors és erős oxigénkötésre képes. Igy érthető, hogy a gümőben az oxigén túlnyomó része kötött állapotban van. Az oxidatív folyamatokhoz szükséges, de a nitrogenáz működését gátló oxigén szabályozott mozgatását a leghemoglobin biztosítja, a nitrogenáz védelmét az oxigén diffúzióját szabályozó gümő/nodulus/ szerkezet biztosítja.
Az egész nitrogén fixálás kulcsa egy bonyolult metalloprotein rendszer a nitrogenáz enzim, melynek kódja az un nif-gén a baktériumban van. A bakteroid állapotban indul be a szintézise a leghemoglobin gát kialakulása után. A génexpressziót és a szintézisét megindító egyik kulcsjel a relatív oxigén hiány a belső környezetben, a szabad oxigén koncentráció csökkenése a gümősejtben. A nitrogenáz működését pedig a fixálás végterméke az ammónia szabályozza. Ha feldúsul a sejtben az ammónia erősen gátol. Normális körülmények között azonban gyorsan eltávozik a peribakteroid membrán lipid fázisában oldódva és a gazdasejt ammónia megkötő biokémiai folyamataiban aminosavakba épül.
Természetes körülmények között az egész folyamat –amelynek itt csak főbb állomásait tekintettük át leegyszerűsítve– mintegy két hét alatt megy végbe. Oda vissza kölcsönhatások bonyolult láncolata működik folyamatosan kialakulása és egész szimbionta működése során. Lényegét pedig így foglalhatnám össze: A biológiailag fontos rendkívül energia igényes sejtben történő ammóniaszintézist katalizáló enzimrendszert a baktérium genomja kódolja, a megfelelő környezetet az energiát és a szénforrást pedig a növény biztosítja.