Учёные обнаружили генетический «выключатель» азотфиксации у бобовых растений
Международная команда учёных впервые идентифицировала генетический «выключатель», который отключает процесс преобразования атмосферного азота в питательные вещества у бобовых растений.
Бобовые культуры, такие как фасоль, горох и чечевица, уникальны своей способностью взаимодействовать с почвенными бактериями для конвертации или «фиксации» азота в усвояемую форму. Однако этот энергозатратный биологический процесс подавляется, когда азот в почве уже присутствует в избытке — будь то естественным путём или в результате внесения синтетических удобрений.
Открытие генетического регулятора, который отключает фиксацию азота при высоком уровне нитратов в почве, позволило учёным удалить этот ген у модельных бобовых. В результате растения продолжали фиксировать азот независимо от состояния почвы.
Повышение биологической способности бобовых к фиксации азота может помочь увеличить рост и урожайность культур, одновременно сократив потребность в синтетических удобрениях, которые увеличивают экологический след сельского хозяйства.
Результаты исследования, проведённого в рамках международного проекта Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture (ENSA), опубликованы в журнале Nature.
«С сельскохозяйственной точки зрения, непрерывная фиксация азота может быть полезным признаком, который увеличивает доступность азота как для самого бобового растения, так и для последующих культур, зависящих от азота, оставшегося в почве после выращивания бобовых», — сказал ведущий автор доктор Дугалд Рид.
Команда обнаружила регулятор, известный как «Fixation Under Nitrate» (FUN), после скрининга 150 000 отдельных растений бобовых, у которых были «выключены» гены, чтобы понять, как растения контролируют переход от фиксации азота к его поглощению из почвы.
FUN, являющийся транскрипционным фактором (контролирует уровни экспрессии других генов), присутствует в бобовых независимо от того, активен он или нет, и от уровня азота.
«Мы разработали генетический скрининг для тысяч растений в теплицах, чтобы идентифицировать гены, связывающие внешние триггеры с биологическими сигналами», — пояснил соавтор доктор Цзешунь Линь.
Затем команда с помощью биохимии, исследований экспрессии генов и микроскопии обнаружила, что неактивный белок FUN формирует длинные белковые филаменты.
Это привело ко второму открытию: уровень цинка играет роль в активации FUN, который, в свою очередь, отключает фиксацию азота.
«Мы обнаружили, что изменение содержания азота в почве изменяет уровень цинка в растении. Цинк ранее не связывали с регуляцией азотфиксации, но наше исследование показало, что изменение уровня цинка активирует FUN, который затем контролирует множество генов, отключающих фиксацию азота», — сказал соавтор доктор Каспер Андерсен. «Удаление FUN создаёт условие, при котором азотфиксация больше не отключается растением».
Исследование возглавляли учёные из Университета Ла Троб (Австралия) и Орхусского университета (Дания) при участии Европейского центра синхротронного излучения (ESRF), Центра биотехнологии и геномики растений (Испания) и Мадридского политехнического университета (UPM).
Сейчас исследователи изучают, как ведут себя обычные бобовые культуры, такие как соя и вигна, при потере активности FUN.