Горох принимает умные инвестиционные решения, которые могут помочь в развитии устойчивого земледелия

Исследователи из Оксфордского университета показали, что растения гороха способны принимать умные инвестиционные решения во взаимодействии со своими симбиотическими бактериальными партнерами. Лучшее понимание того, как растения управляют этими взаимодействиями, может помочь в переходе к устойчивому сельскому хозяйству.

Новое исследование, опубликованное в PNAS, показывает, что растение оценивает различных бактериальных партнеров и затем снабжает сахаром только лучшие доступные штаммы, отключая менее эффективные. Это означает, что растение должно уметь сравнивать разные штаммы и инвестировать соответственно: штамм, который выглядит хорошей инвестицией в одном контексте, может быть плохим выбором в другом.

Как растения принимают решение

Глобально главный фактор, ограничивающий рост растений, — недостаток азота, который составляет почти 80% атмосферы Земли. Однако растения не могут использовать газообразный азот из воздуха. По этой причине бобовые — семейство растений, включающее горох, — эволюционировали симбиотические отношения с почвенными бактериями, называемыми ризобиями, которые преобразуют газообразный азот в форму, пригодную для растений.

Растения гороха размещают бактерии в специализированных наростах на корнях, называемых клубеньками, но бактерии требуют от растения сахар в обмен на поставляемый азот.

Обычно растение заражается многими различными бактериальными штаммами, и некоторые бактерии обеспечивают больше азота, чем другие, что создает дилемму инвестиций. Хотя уже было известно, что некоторые растения прекращают инвестировать в бактерии, которые вообще не поставляют азот, отключая их снабжение сахаром, до сих пор не было ясно, как растения принимают более тонкие инвестиционные решения.

Экспериментальный подход

В этом исследовании использовался новый подход: был создан генетически модифицированный бактериальный штамм, обладающий промежуточной способностью поставлять азот. Растения по-разному относились к этому штамму в зависимости от того, какие другие штаммы были доступны.

• Когда единственным выбором был штамм, вообще не поставляющий азот, растение инвестировало в промежуточный штамм.
• Но когда был доступен действительно хороший штамм, растение прекращало инвестиции в промежуточный штамм.

Аннет Вестхок, соавтор исследования, пояснила: «Бактерии начинают поставлять азот только через несколько дней после попадания в клубеньки, поэтому растению приходится ждать, прежде чем оно сможет решить, насколько полезным окажется каждый бактериальный штамм».

Значение для сельского хозяйства

В настоящее время большинство сельскохозяйственных культур получают дополнительное питание в виде неорганических азотных удобрений. Они производятся в промышленных масштабах по энергоемкому процессу Габера-Боша, который потребляет около 1% мирового энергоснабжения. Их использование также приводит к стоку в водные пути, вызывая чрезмерный рост водорослей и приводя к образованию прибрежных мертвых зон.

Понимание того, как растения управляют взаимодействием с бактериями, может помочь в селекции растений, которые лучше выбирают эффективных бактериальных партнеров. Это может снизить потребность в азотных удобрениях и связанные с ними проблемы.