Регуляция корневой симбиоза зависит от фосфорного статуса растений

Фосфор — один из важнейших питательных элементов для растений. Он необходим, в частности, для создания веществ иммунной системы, здорового развития семян и роста корней. Исследователи из Технического университета Мюнхена (TUM) и Китайского университета Гонконга выяснили, как на молекулярном уровне фосфатный статус растения управляет корневым симбиозом с грибами.

Наземные растения лучше поглощают фосфат в симбиозе с определёнными почвенными грибами. Арбускулярная микориза (AM) — симбиоз с такими грибами — используется более чем 80% растений. Грибы проникают в клетки коры корня и формируют гифальные сети в почве. Они поглощают фосфат из почвы и транспортируют его прямо в корень, где высвобождают в корневые клетки через древовидные структуры — арбускулы.

Растения регулируют установление симбиоза

«Интересно, что растение может регулировать установление симбиоза в зависимости от своего физиологического состояния. Симбиоз стимулируется при низком содержании фосфата в растении и подавляется, когда фосфата достаточно, например, из-за использования удобрений», — говорит Каролин Гутьяр, профессор генетики растений в TUM. «Вероятно, это происходит для сохранения органического углерода, который растение поставляет грибу». Хотя это явление впервые наблюдали около 50 лет назад, молекулярный механизм подавления арбускулярной микоризы при высоком статусе фосфата оставался неизвестным.

Ключевым транскрипционным фактором в этом процессе является белок PHR. Транскрипционные факторы — это белки, контролирующие копирование ДНК в mRNA, обеспечивая образование необходимого количества белка. PHR активирует гены, которые позволяют растению реагировать на дефицит фосфата.

Эксперименты с рисом: одной из важнейших сельскохозяйственных культур

«Мы хотели выяснить, как формирование арбускулярной микоризы регулируется в зависимости от доступности фосфата. Наша гипотеза заключалась в том, что за это может отвечать PHR», — говорит профессор Гутьяр. Помимо лабораторных экспериментов с рисом и модельным растением Lotus japonicus, исследователи провели эксперимент в почве с рисовых полей. Они показали, что PHR необходим для стимулирования AM-симбиоза при низком содержании почвенного фосфата, чтобы обеспечить нормальную урожайность зерна.

Ключевой результат исследования: PHR регулирует не только классические гены дефицита фосфата, но и целую группу генов, необходимых для установления и функционирования AM. К ним относятся, например, гены биосинтеза гормона строголактона. Этот гормон производится растением и выделяется в почву, где активирует и привлекает гриб.

Потенциал для устойчивого сельского хозяйства

AM-симбиоз обладает огромным потенциалом для применения в устойчивом сельском хозяйстве, позволяя сократить потребность в искусственных удобрениях. «Наши открытия можно использовать для изменения чувствительности растений к фосфату с помощью селекции или редактирования генов», — говорит профессор Гутьяр.

Улучшенное поглощение фосфата — не единственное преимущество AM. Симбиоз также способствует поглощению других питательных веществ (азота, калия, сульфата) и повышает устойчивость растений к различным стрессам, например, к засухе. «Настраивая PHR, мы могли бы, например, снизить фосфатную чувствительность растений и стимулировать симбиоз при более высоких концентрациях фосфата в почве, используя другие преимущества симбиоза для сельскохозяйственного производства», — заключает профессор Гутьяр.