Генетический переключатель позволяет растениям принимать азотфиксирующие бактерии

Исследователи стали на шаг ближе к пониманию того, как некоторые растения выживают без азотных удобрений. Эта работа в перспективе может снизить потребность в искусственных удобрениях для таких культур, как пшеница, кукуруза или рис.

"Мы на шаг ближе к более экологичному и климатически дружелюбному производству продуктов питания", — говорят Каспер Рёйкьер Андерсен и Симона Радутою, профессора молекулярной биологии Орхусского университета. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Учёные обнаружили ключ к пониманию того, как можно снизить потребность сельского хозяйства в искусственных удобрениях.

Растениям для роста необходим азот — питательное вещество, которое большинство культур получает только из удобрений. Лишь немногие растения, такие как горох, клевер и бобы, могут обходиться без них. Они живут в симбиозе со специальными бактериями, которые превращают азот из воздуха в форму, пригодную для растения.

Сегодня исследователи по всему миру стремятся понять генетические и молекулярные механизмы этой способности, чтобы одна день перенести её на культуры вроде пшеницы, ячменя и кукурузы.

Это сделает растения самодостаточными в азоте и снизит потребность в искусственных удобрениях, на производство которых сейчас приходится около 2% мирового потребления энергии и которое сопровождается большими выбросами CO₂.

Исследователи выявили небольшие изменения в рецепторах растений, которые заставляют их отключать иммунную систему и позволять симбиоз с азотфиксирующими бактериями.

Друг или враг?

Растения используют рецепторы на поверхности своих клеток для улавливания сигналов от микроорганизмов в почве.

Некоторые бактерии выделяют химические вещества, сигнализирующие, что они «враги», и растениям нужно защищаться. Другие — «друзья», которые помогают с питанием.

Бобовые, такие как горох, фасоль и клевер, приглашают особые бактерии в свои корни. Там бактерии преобразуют азот из воздуха и передают его растению. Это сотрудничество называется симбиозом, и именно поэтому бобовые могут расти без искусственных удобрений.

Исследователи обнаружили, что эта способность в значительной степени контролируется двумя аминокислотами — двумя маленькими «строительными блоками» белка в корнях растений.

"Это замечательное и важное открытие", — отмечает Радутою.

Белок в корнях функционирует как «рецептор», принимающий сигналы от бактерий. Он решает, должно ли растение бить тревогу (иммунная система) или приветствовать бактерии (симбиоз).

Учёные нашли небольшую область в белке, которую назвали Symbiosis Determinant 1. Эта область действует как своего рода переключатель, определяющий, какое сообщение отправляется внутрь растительной клетки. Изменив всего две аминокислоты в этом переключателе, исследователи смогли заставить рецептор, который обычно запускает иммунный ответ, вместо этого начать симбиоз с азотфиксирующими бактериями.

"Мы показали, что два небольших изменения могут заставить растения изменить своё поведение в решающем моменте — от отвержения бактерий к сотрудничеству с ними", — объясняет Радутою.

Перспективы для пшеницы, ячменя и кукурузы

В лаборатории исследователи успешно модифицировали растение Lotus japonicus. Но тот же принцип оказался рабочим и для ячменя.

"Довольно удивительно, что теперь мы можем взять рецептор из ячменя, внести в него небольшие изменения, и фиксация азота снова работает", — говорит Рёйкьер Андерсен.

Перспективы велики. Если модификацию можно будет перенести на другие культуры, в конечном итоге может стать возможным выведение злаковых растений, таких как пшеница, кукуруза или рис, со способностью самостоятельно фиксировать азот — так же, как это делают бобовые сегодня.

"Но сначала нам нужно найти другие, важные ключи", — говорит Радутою. "Сегодня симбиоз могут осуществлять лишь очень немногие культуры. Если мы сможем распространить это на широко используемые культуры, это действительно может сильно изменить количество необходимого азота".