Как растения чувствуют фосфат
Новое исследование Боннского университета и Института генетики растений и исследований сельскохозяйственных культур им. Лейбница (IPK) в Гатерслебене раскрывает механизм, с помощью которого растения контролируют доступность питательного вещества фосфата и решают, когда активировать стратегии по его мобилизации и поглощению из почвы. Ключевую роль в этом процессе играет фермент ITPK1. Исследователи также показали, что определённая группа сигнальных молекул, участвующих в восприятии фосфата, очень чувствительно реагирует на его уровень, и что эта регуляция происходит не только в растениях, но и в человеческих клетках. В долгосрочной перспективе результаты могут привести к выведению новых сортов сельскохозяйственных культур, требующих меньше фосфатных удобрений. Исследование опубликовано в журнале Molecular Plant.
Фосфат — важный минеральный элемент для всех живых организмов. При этом ресурсы фосфата на Земле, пригодные для производства удобрений, ограничены и невозобновляемы — по оценкам, запасы могут истощиться в ближайшие 300 лет. Другая проблема — фосфат, используемый в сельском хозяйстве, может загрязнять водные экосистемы, вызывая эвтрофикацию.
Растения контролируют свои запасы фосфата
Точные механизмы, с помощью которых растения распознают, достаточно ли у них фосфата, в значительной степени неизвестны. В последние годы учёные обнаружили, что растения воспринимают фосфат не напрямую, а косвенно через сигнальную молекулу InsP8 (тип инозитолпирофосфата). В этом помогают SPX-белки. Это указывает на то, что инозитолпирофосфаты, такие как InsP8, служат индикатором общего фосфатного статуса растения.
Однако ранее было неясно, как растения производят InsP8 и его предшественник InsP7. Чтобы решить эту загадку, исследователи использовали генетический трюк, экспрессировав в пекарских дрожжах растительные киназы. Так был идентифицирован ITPK1 как предполагаемая InsP6-киназа, запускающая синтез этих важных сигнальных молекул.
В новом исследовании учёные показали, что фермент ITPK1 действительно функционирует как функциональная InsP6-киназа in planta и генерирует 5-InsP7 — прямой предшественник InsP8. Также удалось продемонстрировать, что синтез инозитолпирофосфатов очень чувствительно реагирует на уровень фосфата, и эта регуляция происходит не только в растениях (включая мхи), но и в человеческих клетках.
«В зависимости от клеточного энергетического статуса и, следовательно, косвенно от того, сколько фосфата доступно, ITPK1 может либо инициировать синтез InsP8, который подавляет усвоение фосфата, либо функционировать как АТФ-синтаза, что в конечном итоге выключает сигнал InsP8, активируя мобилизацию и поглощение фосфата», — объясняет доктор Рикардо Гил.
С помощью нового масс-спектрометрического метода учёные также идентифицировали новые формы растительных инозитолпирофосфатов, включая изомер 4/6-InsP7. Хотя его функция в растениях пока неизвестна, этот тип инозитолпирофосфата, по-видимому, не участвует в регуляции ответа на дефицит фосфата.
На пути к устойчивому производству сельскохозяйственных культур
Результаты этой и предыдущих работ имеют далеко идущие последствия для понимания того, как организмы чувствуют дефицит фосфата и как в зависимости от энергетического статуса генерируются физиологические ответы. Исследование предоставляет новые цели для селекции и открывает пути к использованию новых методов разведения, таких как редактирование генома, для повышения эффективности использования фосфата и содействия более экологичному и ресурсосберегающему растениеводству.