Учёные обнаружили генетический переключатель, связывающий добычу фосфата и иммунитет растений

Исследователи из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл определили ключевой генетический «переключатель», который помогает почвенным бактериям, живущим на корнях растений, добывать жизненно важный фосфат. Это позволяет растению получать больше питательного вещества и повышать урожайность.

Работа, опубликованная 15 марта в журнале Nature, открывает возможность создания пробиотических микробных обработок для повышения эффективности использования растениями фосфата. Запасы доступной для растений формы фосфата могут достичь пика (когда предложение перестанет удовлетворять спрос) уже через 30 лет. Это грозит снижением урожайности на фоне роста населения и стресса от глобального потепления, что может нанести ущерб мировой продовольственной системе.

Как работает переключатель PHR1

«Мы показали, как именно ключевой "белок-переключатель" PHR1 контролирует реакцию на низкий уровень фосфата — большой стресс для растения — а также управляет иммунной системой растения, — сказал Джефф Дангл. — Когда растение испытывает стресс из-за нехватки этого важного питательного вещества, оно ослабляет свою иммунную систему, чтобы сосредоточиться на добыче фосфата из почвы. По сути, растение расставляет приоритеты на клеточном уровне».

Учёные обнаружили, что почвенные бактерии могут использовать этот компромисс между поиском питательных веществ и иммунной защитой, чтобы установить симбиотические отношения с растениями. Бактерии усиливают реакцию на стресс от нехватки фосфата, отчасти просто конкурируя за него, а отчасти активно «сообщая» растению, чтобы оно включило эту стрессовую реакцию.

Эксперименты на Arabidopsis thaliana

В исследовании использовались мутантные версии растения Arabidopsis thaliana. В одном эксперименте растения с мутантными версиями гена PHR1 не только имели нарушенную реакцию на стресс от нехватки фосфата, но и формировали иные сообщества микробов в корнях и вокруг них при выращивании в местной почве Северной Каролины. Это происходило даже при изобилии фосфата, что указывало на иной механизм, влияющий на микробные сообщества. Аналогичные результаты были получены для родственного белка PHL1, который выполняет схожие, но более слабые функции.

В другом эксперименте стерильные корни нормальных растений Arabidopsis колонизировали набором из 35 видов бактерий, выделенных из корней растений, выращенных в той же почве. У таких растений реакция на стресс от нехватки фосфата усиливалась в условиях низкого содержания фосфата.

Дальнейшее изучение показало, что PHR1 (и, вероятно, в меньшей степени PHL1) не только активирует стрессовую реакцию на нехватку фосфата, но и запускает паттерн экспрессии генов, снижающий иммунную активность. Это облегчает выживание резидентных микробов.

Перспективы применения

Полученные данные позволяют предположить, что почвенные микробы научились уживаться с растениями-хозяевами, отчасти активируя PHR1/PHL1 для подавления иммунных реакций. Команда Дангла также полагает, что эти микробы могут быть необходимы для нормальной реакции растений на условия с низким содержанием фосфата. Это открывает возможность использовать эти отношения — с помощью пробиотиков или подобных обработок для сельскохозяйственных культур — чтобы растения могли обходиться меньшим количеством фосфата.

«Фосфат — ограниченный ресурс, и мы используем его не очень эффективно, — отметил Дангл. — В составе удобрений фосфат попадает в водоёмы, где может негативно влиять на речные и морские экосистемы. Было бы лучше, если бы мы могли использовать фосфат более эффективно».