Как растения чувствуют воду и азот: геномные реакции, ограничивающие рост сельхозкультур

Исследователи протестировали, как каждый ген в геноме риса — одной из важнейших продовольственных культур — чувствует и реагирует на комбинации воды и питательных веществ. Результаты, опубликованные в Nature Communications, могут указать пути для создания культур, способных расти на почвах, которые сейчас слишком сухие или бедны питательными веществами.

«Изменения в дозе питательных веществ оказывают драматическое влияние на экспрессию генов и рост растений», — объясняет Джозеф Свифт, ведущий автор исследования. «Открытым остаётся вопрос: реагируют ли организмы на изменения абсолютного количества питательного вещества или на его концентрацию в воде. Этот вопрос особенно актуален для растений, так как высыхание почвы может изменить концентрацию питательных веществ, не меняя их абсолютного количества».

Поскольку питательные вещества, которые растения поглощают из почвы, всегда растворены в воде, предыдущие исследования не могли определить, чувствуют ли организмы общее количество доступного питательного вещества или его относительное количество в воде.

В новом исследовании учёные из Центра геномики и системной биологии Нью-Йоркского университета решили этот вопрос, подвергнув проростки риса воздействию экспериментальной матрицы с различными условиями по азоту и воде. Это позволило разделить эффекты, которые вода и азот — ключевое питательное вещество — оказывают на рост риса.

С помощью вычислительного анализа реакций более 50 000 генов риса команда обнаружила, что, в то время как одни гены контролировались в ответ на количество азота или воды по отдельности, другие специфически реагировали именно на их комбинацию.

Затем исследователи проверили, влияют ли эти лабораторные результаты на производство риса в реальных полевых условиях. Для этого они отправились на Филиппины и в сотрудничестве с Международным научно-исследовательским институтом риса провели полевые испытания в течение двух сезонов выращивания. В полевых условиях они обнаружили, что гены, реагирующие одновременно на азот и воду, были связаны с количеством зерна, производимого рисом.

«Эти гены могут помочь в разработке культур, которым для роста требуется не только меньше питательных веществ, но и меньше воды», — отмечает Глория Корруцци, старший автор статьи. «Это потенциально может позволить использовать многие маргинальные почвы по всему миру — те, которые слишком сухие или бедны питательными веществами для растениеводства. Более того, разработка культур, дающих урожай зерна в условиях глобального потепления и изменения климата, особенно важна».