Исследователи из Орхусского университета обнаружили молекулярный механизм, позволяющий растениям вступать в симбиоз с азотфиксирующими бактериями, а не бороться с ними. Это открытие может проложить путь к созданию самооплодотворяющихся злаковых культур.
Как отмечают профессора молекулярной биологии Орхусского университета Каспер Рёйккьер Андерсен и Симона Радутойу, это приближает человечество к более экологичному и климатически благоприятному производству продуктов питания.
Их новое исследование указывает на важный биологический ключ, способный значительно снизить зависимость сельского хозяйства от искусственных удобрений. Азот жизненно необходим для роста растений, но большинство сельскохозяйственных культур получают его только из удобрений. Лишь небольшая группа растений, таких как горох, клевер и бобы, способна расти без дополнительного введения азота, формируя партнерство со специфическими бактериями, которые преобразуют атмосферный азот в доступную для растений форму.
Ученые по всему миру активно изучают генетические и молекулярные основы этой естественной способности к фиксации азота. Главная цель – ввести этот признак в основные сельскохозяйственные культуры, такие как пшеница, ячмень и кукуруза. Успех в этой области позволит таким растениям самостоятельно обеспечивать себя азотом, значительно сократив потребность в синтетических удобрениях. Производство этих удобрений сегодня составляет около двух процентов мирового потребления энергии и приводит к значительным выбросам углекислого газа.
Исследователи из Орхусского университета теперь выявили небольшие изменения в рецепторах растений, которые заставляют их временно отключать иммунную защиту и вступать в кооперативные отношения с азотфиксирующими бактериями.
Растения используют рецепторы клеточной поверхности для распознавания химических сигналов от почвенных микроорганизмов. Некоторые бактерии выделяют соединения, сигнализирующие о том, что они «враги», что приводит к активации защитных механизмов растения. Другие, наоборот, посылают сигналы о своей «дружелюбности» и способности поставлять питательные вещества. Бобовые, такие как горох, фасоль и клевер, позволяют специализированным бактериям проникать в свои корни. Внутри корневых тканей эти бактерии преобразуют азот из атмосферы и делятся им с растением. Именно это партнерство, известное как симбиоз, позволяет бобовым расти без искусственных удобрений. Ученые из Орхуса обнаружили, что эта способность сильно зависит всего от двух аминокислот, которые являются своего рода «строительными блоками» корневого белка.
Симона Радутойу назвала это открытие «замечательным и важным». Корневой белок действует как рецептор, считывающий бактериальные сигналы и определяющий, активировать ли иммунную систему растения или принять бактерии в симбиотические отношения. Команда идентифицировала небольшой участок в этом рецепторном белке, названный Symbiosis Determinant 1. Он функционирует как переключатель, контролирующий внутреннее сообщение, которое получает растение. Модифицировав всего две аминокислоты в этом переключателе, исследователи смогли изменить рецептор, который обычно запускает иммунитет, так, чтобы он вместо этого инициировал симбиоз с азотфиксирующими бактериями. «Мы показали, что два небольших изменения могут заставить растения изменить свое поведение в критически важном аспекте – от отторжения бактерий к сотрудничеству с ними», – поясняет Радутойу.
В лабораторных экспериментах исследователи успешно внедрили это изменение в модельное растение Lotus japonicus, а затем проверили концепцию на ячмене, обнаружив аналогичный механизм действия. Каспер Рёйккьер Андерсен подчеркивает: «Поразительно, что мы теперь можем взять рецептор из ячменя, внести в него небольшие изменения, и тогда фиксация азота снова начинает работать». Долгосрочный потенциал данного открытия огромен. Если эти модификации удастся применить к другим злаковым культурам, в конечном итоге станет возможным выведение пшеницы, кукурузы или риса, способных самостоятельно фиксировать азот, подобно бобовым. Однако, как отмечает Радутойу, необходимо сначала найти и другие, не менее важные «ключи». Она заключает: «Сегодня лишь очень немногие культуры могут вступать в симбиоз. Если мы сможем распространить эту способность на широко используемые культуры, это действительно сильно повлияет на количество необходимого азота».
