Генетическая альтернатива удобрениям

Недостаток азота в почве негативно влияет на урожайность. Современное использование азотных удобрений позволило повысить урожайность для удовлетворения растущего мирового спроса на продовольствие. Однако до 50% азота из удобрений может попадать в водоёмы в форме нитратов, вызывая загрязнение. Поскольку использование азотных удобрений в мире быстро растёт, существует фундаментальная необходимость понять, как растения поглощают нитраты и как этот процесс можно улучшить у сельскохозяйственных культур.

У растений Arabidopsis дефицит азота запускает экспрессию гена переносчика нитратов NRT2.4, что позволяет растениям поглощать следовые количества нитратов для выживания. Такэтоси Киба и его коллеги из Центра наук о растениях RIKEN в Йокогаме вместе с учёными из Франции и Великобритании выяснили, как NRT2.4 помогает растениям, испытывающим дефицит азота.

«Хотя азот — один из важнейших питательных элементов для роста и продуктивности растений, то, как растения ощущают и реагируют на уровень азота в почвах, изучено недостаточно, — объясняет Киба. — Именно поэтому мы начали исследование, сосредоточившись на гене NRT2.4».

Используя зелёные флуоресцентные белки и репортёрные ферменты для определения локализации и наличия гена, команда обнаружила паттерн экспрессии NRT2.4 в корнях и побегах проростков Arabidopsis.

Исследователи работали с 10-дневными проростками Arabidopsis весом около 1 миллиграмма каждый и измеряли крошечные количества поглощаемых растениями нитратов. «Обнаружение притока нитратов при очень низкой концентрации было главной сложностью в этой работе, — отмечает Киба. — Чтобы получить достоверные данные, нам пришлось повысить точность методов анализа и измерений». Образцы тщательно готовили для анализа, а затем измеряли уровень нитратов с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (HPLC) и автоматического масс-спектрометра N/C-анализатора.

Повышенная точность окупилась: результаты показали, что ген NRT2.4 критически важен для увеличения поглощения нитратов растениями Arabidopsis при очень низких концентрациях. Однако не все растения одинаковы. «Наше предварительное исследование предполагает, что у некоторых одомашненных сельскохозяйственных растений нет механизма, эквивалентного NRT2.4 у Arabidopsis, — объясняет Киба. — Возможно, одомашненные растения утратили такой механизм, потому что он не нужен в условиях удобренной среды».

Внедрение гена NRT2.4 в сельскохозяйственные культуры может в будущем повысить эффективность поглощения азота. Киба отмечает: «В конечном счёте это может позволить нам сократить использование азотных удобрений и легко вести устойчивое сельское хозяйство».