Аммоний запускает образование боковых корней

Несмотря на важность изменений в архитектуре корней для освоения локальных участков с питательными веществами, механизмы, интегрирующие внешние сигналы о питательных веществах в программу развития корня, остаются малоизученными. «Здесь мы впервые показываем, что локальное поступление аммония стимулирует накопление ауксина в сосудистой системе корня и способствует диффузии ауксина и образованию боковых корней, формируя сильно разветвленную корневую систему», — говорит профессор Николаус фон Вирен из Института генетики растений и исследований сельскохозяйственных культур им. Лейбница (IPK).

Поскольку каждый процесс в развитии боковых корней, включая инициацию, появление и удлинение, регулируется ауксином, возникает вопрос, как ауксин реагирует на локальное присутствие аммония, который является основным источником азота в естественных и сельскохозяйственных почвах. «Наша работа показывает, что поглощение аммония корнями вызывает изменения pH, которые переводят растительный гормон ауксин в протонированную форму, позволяя ему диффундировать в наружные клетки корня, где он запускает появление боковых корней», — говорит профессор фон Вирен. Эти результаты исследования были опубликованы в научном журнале Nature Plants.

Мониторинг репортеров pH и ауксина показывает, что поглощение аммония подкисляет апопласт корня (т.е. пространство клеточной стенки). Это увеличивает импорт протонированного ауксина в кортикальные и эпидермальные клетки, покрывающие зачатки боковых корней, и впоследствии способствует их выходу из родительского корня. Хотя растения с дефицитом азота также накапливают ауксин в сосудистой ткани корня, как и корни, снабжаемые аммонием, их апопласт вокруг сосудистой ткани более щелочной. Это удерживает ауксин в этих тканях и предотвращает появление боковых корней. Проще говоря, локальное воздействие аммония на корни приводит к тому, что корни теряют контроль над транспортом этого гормона, стимулирующего рост.

Импорт ауксина в кортикальные и эпидермальные клетки усиливает экспрессию генов, участвующих в разрыхлении клеточной стенки, снижая механическое сопротивление, необходимое для выхода бокового корня. «Наше исследование показывает, что зависимая от pH диффузия ауксина может быть использована в качестве регуляторного механизма для координации пластичности архитектуры корневой системы с колебаниями доступности питательных веществ», — говорит профессор фон Вирен. «В какой степени эта повышенная плотность боковых корней также способствует поглощению других питательных веществ, еще предстоит показать».

В почвах запускаемое аммонием появление боковых корней важно не только для формирования архитектуры корневой системы при неоднородной доступности азота в естественных условиях (например, когда корни соприкасаются с богатой органическим веществом почвой, высвобождающей аммоний при минерализации), но и в сельскохозяйственном растениеводстве. «Растущий спрос на сокращение внесения азотных удобрений все чаще удовлетворяется за счет ленточного внесения в почву полос удобрений на основе труднорастворимого фосфата аммония», — говорит профессор фон Вирен. Было показано, что такие локальные депо аммония усиливают образование боковых корней у полевых культур, а также мобилизацию и поглощение совместно вносимого фосфата. «Поскольку локальный фосфат обычно стимулирует удлинение боковых корней, а аммоний запускает их появление, возникает соблазн предположить, что знания о зависимом от питательных веществ развитии боковых корней могут быть использованы для оптимизации адаптации архитектуры корней сельскохозяйственных культур к практикам управления питательными веществами в сельском хозяйстве».