Как растения находят свой любимый источник азота

Азот — один из важнейших питательных элементов для растений. Его доступность в почве играет ключевую роль в росте и развитии растений, влияя на сельскохозяйственную продуктивность. Учёные из Института науки и технологий Австрии (IST Austria) показали, как растения адаптируют рост корней к различным источникам азота. В новом исследовании, опубликованном в The EMBO Journal, они раскрывают молекулярные механизмы этой адаптации.

Как и другие растения, Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля) нуждается в азоте для жизни и роста. Но, подобно кукурузе, бобам и сахарной свёкле, она предпочитает азот в форме нитрата (NO₃^-). Сосна и рис, например, лучше растут на аммонии (NH₄⁺) — другой форме азота. Если концентрация или доступность разных форм азота меняется, растениям нужно быстро адаптироваться.

Поиск баланса

Учёные сравнили, как проростки Arabidopsis, выращенные исключительно на аммонии, реагируют на перенос в среду с аммонием или нитратом.

Если растение находится в неоптимальной почве, оно старается поддерживать рост корней, чтобы достичь более подходящей формы азота. Два ключевых процесса — пролиферация (деление) клеток в меристеме (ткани недифференцированных клеток) и растяжение клеток. Растение должно найти баланс между ними.

При питании аммонием (нелюбимой формой азота для Arabidopsis) в меристематической зоне производилось меньше клеток, но они очень быстро удлинялись. «Как только мы перенесли растения на нитрат, меристема внезапно увеличилась, стало производиться больше клеток, и изменилась кинетика растяжения клеток», — говорит Ева Бенкова. Теперь растение могло позволить себе вложить больше энергии в деление клеток и оптимизировать рост корней иначе.

Контроль потока гормона

То, вкладывается ли растение в деление или растяжение клеток, определяется уровнем ауксина. Этот фитогормон транспортируется особыми белками-переносчиками. Исследователей особенно интересовал переносчик PIN2, который опосредует поток ауксина в кончике корня. PIN2 оказался главным фактором, устанавливающим баланс между делением и растяжением клеток. «Мы наблюдали, что после переноса растений на нитрат локализация PIN2 меняется. Тем самым меняется и распределение ауксина».

Активность PIN2, в свою очередь, зависит от его фосфорилирования. «Нас действительно удивило, что одна модификация — фосфорилирование такого большого белка, как выносной переносчик, — может иметь столь важное влияние на поведение корня», — добавляет Бенкова. Более того, аминокислота PIN2, которая является мишенью для фосфорилирования, присутствует у многих видов растений. Это предполагает, что PIN2 может быть универсально вовлечён в стратегии адаптации к изменяющимся источникам азота у разных видов.

Взгляд вблизи

Исследование стало результатом междисциплинарного подхода с участием биологов, специалистов по микроскопии и компьютерных учёных. Для наблюдения за процессами в корнях использовался вертикальный конфокальный микроскоп, адаптированный в IST Austria. Его вертикальный столик позволяет наблюдать рост растения естественным образом — вдоль вектора гравитации. С его высоким разрешением учёные смогли в реальном времени наблюдать, как клетки в корнях делятся и растягиваются.