Как растения решают, когда цвести: учёные открыли фосфор-зависимый переключатель
Фосфор, ключевой компонент удобрений, заканчивается. Мировые продовольственные системы зависят от фосфора, добываемого из ограниченных запасов, при этом большая часть внесённого на поля смывается, что приводит к истощению почв. По мере того как фосфора становится меньше, урожаям становится труднее расти и размножаться, что угрожает продовольственной безопасности.
Но пока люди ищут способы использовать фосфор эффективнее, растения справляются с этой проблемой миллионы лет. Когда фосфора мало, они корректируют рост, замедляют цветение и ждут лучших условий. До сих пор механизм, с помощью которого растения осуществляют этот сдвиг в развитии, оставался загадкой.
Исследователи из Института устойчивости растений Университета штата Мичиган обнаружили молекулярный механизм, позволяющий растениям чувствовать дефицит фосфора и откладывать цветение — стратегию выживания, которая может вдохновить на создание новых способов селекции культур для бедных почв. Работа, опубликованная в Developmental Cell, раскрывает фосфор-зависимый «переключатель» внутри растительных клеток, который перепрограммирует их развитие при нехватке питательных веществ.
«Впервые мы увидели такую прямую связь между статусом питательных веществ, движением белка внутри клетки и контролем времени цветения», — сказал доцент Хатем Руашед, старший автор и сотрудник кафедры растениеводства, почвоведения и микробиологии.
Питательный сигнал становится решением о развитии
Исследование, проведённое доктором Хуи-Кён Чо, началось с простого наблюдения: растения, выращенные в условиях дефицита фосфора, цветут позже, чем при достаточном его количестве. Используя полногеномный анализ ассоциаций у Arabidopsis, команда искала молекулярную основу этого явления.
Поиск привёл к неожиданному кандидату — белку β-ГЛЮКОЗИДАЗА 25 (bGLU25). Хотя bGLU25 принадлежит к семейству ферментов, которые обычно расщепляют углеводы, команда обнаружила, что он каталитически неактивен. Вместо этого он действует как сигнал, передающий информацию о питательной среде растения.
В условиях достатка фосфора белок bGLU25 находится в эндоплазматическом ретикулуме. Когда фосфора не хватает, bGLU25 расщепляется другим белком, SCPL50, и высвобождается в цитозоль.
«Это движение из одного компартмента в другой — способ растения переключить молекулярный "выключатель"», — сказала Чо.
Молекулярная цепная реакция
Оказавшись в цитозоле, bGLU25 связывается с белком AtJAC1, который затем улавливает третий белок, GRP7, не давая ему попасть в ядро клетки. GRP7 обычно регулирует ген FLOWERING LOCUS C (FLC), главный репрессор, который не даёт растениям зацвести слишком рано.
Удерживая GRP7 в цитозоле, bGLU25 косвенно усиливает активность FLC, откладывая цветение при нехватке фосфора. Результат — точно настроенный ответ: при низком содержании фосфора растение вкладывает ресурсы в выживание, а не в размножение.
Древняя стратегия с современной важностью
Фосфор необходим для метаболизма растений. Он входит в состав ДНК, мембран и энергетических молекул, таких как АТФ. Но фосфорных почв мало, а запасы фосфорных удобрений зависят от ограниченных мировых резервов. Понимание того, как растения естественным образом справляются с дефицитом, может помочь в селекции питательно-эффективных культур, требующих меньше удобрений при сохранении урожайности.
«Этот механизм — не просто особенность Arabidopsis, — сказал Руашед. — Мы уже видели свидетельства того, что аналогичный процесс работает у риса и других сельскохозяйственных видов. Это открывает захватывающие возможности для повышения устойчивости сельского хозяйства в регионах с дефицитом фосфора».
Расшифровка того, как растения ощущают и реагируют на стресс от нехватки фосфора, закладывает основу для нового поколения «питательно-умных» культур.