Пептид-"двойной агент" может повысить урожайность без увеличения удобрений

Молекулярные биологи из Массачусетского университета в Амхерсте, изучающие азотфиксирующие бактерии в растениях, обнаружили в люцерне пептид-"двойного агента", который может помочь повысить урожайность сельскохозяйственных культур без увеличения использования удобрений.

Как объясняют профессор Донг Ван и ведущий автор, постдок Мину Ким, бобовые привлекают азотфиксирующие бактерии (ризобии) из почвы к своим корням. Попав внутрь растения, ризобии образуют клубеньки на корнях, и растение начинает трансформировать бактерии в их азотфиксирующее состояние. В обмен на ферменты бактерий, превращающие азот в полезный аммиак, растение снабжает бактерии фиксированным углеродом — продуктом фотосинтеза.

У люцерны эта трансформация бактерий называется дифференцировкой, которую Ван сравнивает с одомашниванием, поскольку она делает бактерии зависимыми от растения-хозяина. На молекулярном уровне в этом процессе участвуют пептиды растения, известные как NCR-пептиды, которые действуют на бактерии.

Изучая этот процесс у модельного растения Medicago truncatula, исследователи обнаружили, что один из этих пептидов, DNF4 (NCR211), может действовать как "двойной агент". DNF4 поддерживает азотфиксирующие бактерии внутри растения, но его действие может убивать свободноживущие бактерии снаружи.

Двойной эффект DNF4/NCR211 может отражать механизм, обеспечивающий нахождение ризобий в правильно дифференцированном состоянии. Контроль хозяина над дифференцировкой бактерий эволюционировал у нескольких линий бобовых, что указывает на возможную пользу для растения-хозяина. Интересно, что у самой экономически ценной бобовой культуры — сои — эта стратегия, по-видимому, не развилась, что открывает возможные пути для повышения её урожайности.

Открытие NCR211-пептидов, поддерживающих выживание бактерий внутри клеток хозяина, может оказаться ключевым фактором в будущих усилиях по улучшению бобовых культур без увеличения использования удобрений.

В сопутствующем исследовании, также опубликованном в PNAS, группа Прайса из Университета Бригама Янга обнаружила бактериальную пептидазу, способную расщеплять NCR-пептиды хозяина. Эта коллекция открытий демонстрирует эволюционирующую природу контроля над бактериальной дифференцировкой в классическом мутуализме хозяин-микроб.