Выявление генетических механизмов роста корней тополя в условиях дефицита азота

Ученые Мичиганского технологического университета (Хайронг Вей, Йордан Йорданов и Виктор Бусов) выявили ключевые гены, контролирующие рост корней тополя (Populus) в почве с низким содержанием азота. Их исследование, опубликованное в журнале New Phytologist, также привело к созданию новой модели взаимодействия генов.

Цель и проблема

Ученые стремились понять генетические механизмы, позволяющие растениям эффективно расти при малом количестве азота — основного компонента удобрений. Только около 30% вносимого азота усваивается растениями, остальное загрязняет грунтовые воды, способствуя цветению водорослей, увеличению выбросов парниковых газов и размножению насекомых-переносчиков болезней.

Эксперимент и открытие

Исследователи выращивали саженцы тополя (важной биоэнергетической культуры) сначала в нормальных условиях, а затем пересаживали в среду с почти нулевым содержанием азота. Вопреки ожиданиям, корни стали крупнее и длиннее, вероятно, в поисках питательного вещества.

Анализ экспрессии более 61 000 генов позволил выявить 9 198 генов, активность которых значимо менялась в шесть разных моментов времени. С помощью генетического сетевого анализа ученые сузили поиск до нескольких ключевых регуляторов.

Ключевой ген и новая модель

Главным "переключателем" оказался ген PtaNAC1. Его активация запускает всю генетическую сеть: при его "настройке" корни вырастают на 58% больше, чем у контрольных растений.

Хайронг Вей предложил новую модель иерархического взаимодействия генов, аналогичную управлению в компании или работе машины:

• Гены нижнего уровня ("рабочие") выполняют конкретные задачи.
• Их работу координируют гены-регуляторы более высокого порядка ("мастера", "менеджеры").
• Ген PtaNAC1 действует как "президент" или "главный выключатель", запускающий весь каскад реакций для адаптивного роста корней.

Перспективы

Понимание этого генетического "двигателя" открывает путь к созданию сортов тополя и других растений, которые смогут эффективно расти на маргинальных землях с бедными почвами, что идеально для плантаций биоэнергетических культур. Дополнительный плюс — такие растения могут помочь очищать грунтовые воды, поглощая избыточный азот из сельскохозяйственных стоков.