Способность растений искать азот зависит от мобильного гормонального сигнала «побег–корень»

Исследователи из Университета Нагои обнаружили молекулярные механизмы, лежащие в основе этапа сигнализации о потребности в азоте от побега к корню у растений. Команда выяснила, что гены, кодирующие полипептиды CEPD, активируются в побегах в ответ на азотное голодание корней. Эти полипептиды затем перемещаются вниз, в корни, и активируют ген транспортера нитратов только при достаточном количестве нитратов в окружающей почве. Эти открытия важны для максимизации усвоения питательных веществ растениями и повышения сельскохозяйственной продуктивности.

Хотя растения не могут активно искать пищу, они способны преодолевать проблемы, связанные с дефицитом или неравномерным распределением питательных веществ, с помощью механизма дальней сигнализации. Например, азот (обычно в форме нитрата) необходим для роста растений, но часто присутствует в почве лишь отдельными участками. Корни, испытывающие азотное голодание, экспрессируют мобильный растительный гормон (CEP), который перемещается вверх, к побегу, и в конечном итоге запускает компенсаторное поглощение азота корнями в более богатых азотом областях. Этот сигнал CEP воспринимается рецепторным белком в листьях, но молекулы, участвующие в ответном сигнале от побега к корню, были неизвестны.

Исследование Университета Нагои показало, что в ответ на сигнал CEP активируются специфичные для флоэмы полипептиды (цепи аминокислот), которые включают экспрессию гена транспортера нитратов только при наличии нитрата в почве, непосредственно окружающей корень. Исследование опубликовано в Nature Plants.

Чтобы идентифицировать гены, активируемые при активации рецептора CEP, исследователи провели скрининг генетических кандидатов, экспрессия которых резко возрастала после обработки модельного растения Arabidopsis CEP.

Были обнаружены два гена, соответствующих этому описанию и также регулируемых азотным статусом корней. Они кодируют полипептиды, которые команда назвала CEPD1 и CEPD2 (CEP downstream 1 и 2 соответственно).

Команда показала, что эти полипептиды накапливаются в корнях, хотя кодирующие их гены экспрессируются только в побегах. Это указывало на то, что полипептиды действуют как мобильные нисходящие сигналы от побега к корню.

Затем растения выращивали с разделёнными на две части корнями, каждая из которых получала разный уровень азота, чтобы изучить роль CEPD1 и CEPD2. «Корни, подвергнутые воздействию богатой азотом среды, показали повышенную экспрессию гена транспортера нитратов, — говорит соавтор Юри Окубо. — Однако у мутантных растений, у которых гены CEPD1 и CEPD2 были выключены, такой активации транспортера нитратов не наблюдалось».

Полипептиды CEPD обнаруживались в сходных количествах как в богатых азотом, так и в испытывающих азотное голодание корнях. Однако они активировали ген транспортера нитратов только на богатой азотом стороне растения. «Таким образом, реакция растения на недостаток азота зависит от доступности нитрата в почве, окружающей его корни, — говорит автор-корреспондент Ёсикацу Мацубаяси. — Степень этой доступности нитрата в конечном итоге определяет, активирует ли CEPD ген транспортера нитратов».

Такая сложная система сигнализации гарантирует, что растения максимизируют эффективность получения питательных веществ, и может быть использована для улучшения применения удобрений и повышения продуктивности растений.