Как увеличить биомассу растений: Учёные нашли молекулярную связь между доступностью азота и ростом

Растениеводы давно знают, что урожайность сельскохозяйственных культур пропорциональна дозе азотных удобрений, но их чрезмерное использование дорого и вредно для окружающей среды. До сих пор были неизвестны базовые механизмы, с помощью которых растения регулируют свой рост в зависимости от дозы азота.

В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), учёные из Центра геномики и системной биологии Нью-Йоркского университета обнаружили недостающее звено в молекулярной связи между восприятием растением дозы азота в окружающей среде и изменениями его биомассы в ответ на эту дозу.

Исследователи изучили, как увеличение доз азота вызывает изменения в экспрессии генома растения в зависимости от времени. Затем с помощью математических моделей они исследовали скорость изменения матричной РНК (mRNA) для тысяч генов в ответ на этот эксперимент.

Учёные обнаружили, что динамика ответа mRNA на дозу азота подчиняется простым принципам кинетики ферментов, впервые описанным Михаэлисом-Ментен в 1913 году. Модель Михаэлиса-Ментен точно описывала скорость изменения экспрессии генов для 30% генов, реагирующих на дозу азота.

Поскольку транскрипционные факторы определяют скорость транскрипции генов с ДНК в РНК, их можно напрямую сравнить с каталитическими ферментами в модели Михаэлиса-Ментен. Это означает, что увеличение количества ключевых транскрипционных факторов должно повысить скорость экспрессии генов, зависящей от дозы азота, и, как следствие, скорость роста растений.

Исследовательская группа обнаружила, что увеличение уровня транскрипционного фактора TGA1 ускоряет скорость экспрессии генов, реагирующих на дозу азота, и скорость роста растений. Растения с повышенной экспрессией TGA1 имели увеличенные темпы роста в ответ на азот, достигая биомассы в три раза большей, чем растения дикого типа.

Поскольку TGA1 консервативен у растений, включая такие культуры, как рис, томаты и пшеница, это открытие имеет значение для повышения эффективности использования азота сельскохозяйственными культурами, что может принести пользу сельскому хозяйству и устойчивому развитию.