Инженерные сети сигнализации для создания культур, требующих меньше удобрений

Междисциплинарная группа исследователей из Оксфордского и Кембриджского университетов создала новый синтетический путь сигнализации между растениями и микробами, который может стать основой для переноса азотфиксации на злаковые культуры.

Опубликованная в Nature Communications работа демонстрирует, как ученые в области ботаники, микробиологии и химии использовали методы синтетической биологии для проектирования и создания молекулярного диалога между растениями и бактериями в ризосфере — зоне вокруг корней. Эта синтетическая система сигнализации может стать важным шагом к успешной инженерии азотфиксирующего симбиоза у небобовых культур, таких как пшеница и кукуруза.

Улучшение корневой микробиоты обладает огромным потенциалом для повышения урожайности на бедных питательными веществами почвах и сокращения использования химических удобрений.

Совместный ведущий автор, д-р Барни Геддес из Оксфорда, пояснил: «Растения влияют на микробиоту своей ризосферы, посылая химические сигналы, которые привлекают или подавляют определенные микробы. Инженерия злаковых растений для производства сигнала, позволяющего общаться с бактериями на их корнях и управлять ими, потенциально может позволить им воспользоваться услугами этих бактерий по стимулированию роста, включая фиксацию азота».

«Для этого мы выбрали группу соединений, обычно производимых бактериями в клубеньках бобовых, — ризопины. Сначала нам пришлось открыть естественный биосинтетический путь производства ризопинов, а затем спроектировать синтетический путь, который было бы легче перенести в растения. Нам удалось перенести синтетический путь сигнализации в ряд растений, включая злаки, и создать ответ ризосферных бактерий на ризопин».

Совместный ведущий автор, д-р Амели Жоффрен из Оксфорда, разработала новый стереоселективный синтез ключевого ризопина. Она отметила: «Синтетическая химия была необходима для получения соединений, позволивших исследовать биосинтез ризопина и его перенос из бактерий в растение. В частности, полученные ризопины позволили нам подтвердить, какой именно энантиомер ("рука") ключевого биологически активного соединения является естественно активным».

Д-р Понрадж Парамасиван, совместный ведущий автор из Кембриджа, объяснил, как команда перенесла гены синтеза ризопина в ячмень, чтобы оценить возможность инженерии синтеза ризопина в злаках.

Она сказала: «Мы подтвердили, что ячмень синтезирует, а затем выделяет ризопин в свою ризосферу. Затем мы измерили сигнализацию между корнями ячменя и ризосферными бактериями и обнаружили, что значительный уровень коммуникации происходит в большинстве бактериальных колоний. Эти результаты означают, что мы потенциально можем использовать этот межцарственный путь сигнализации для активации корневой микробиоты с целью фиксации азота и множества других услуг по стимулированию роста растений, таких как производство антибиотиков или гормонов или растворение почвенных питательных веществ».

«Ключевое преимущество этого синтетического пути сигнализации заключается в том, что пользу получит только конкретная сельскохозяйственная культура, сконструированная для производства сигнала. Это означает, что сорняки, которые в настоящее время в равной степени выигрывают от внесения химических удобрений, не получат выгоды от этих усиленных ассоциаций "растение-микроб", поскольку они не производят эту новую сигнальную молекулу для общения с бактериями».

Будущая работа в лабораториях Пула, Олдройда и Конуэя будет сосредоточена на том, как растения могут контролировать ключевые процессы в корневых бактериях, такие как фиксация азота, растворение фосфатов и стимулирование роста растений. Это открывает мир бактериального микробиома и его разнообразного метаболизма для контроля со стороны растений, в частности злаков. Вероятно, это станет ключевым компонентом в попытках внедрить фиксацию азота в злаки.