Новый подход улучшает использование азота, повышает урожайность и ускоряет цветение риса
Азотные удобрения (применяемые в виде нитрата, NO3-, или аммония, NH4+) увеличивают количество зерна с акра, но сток и испарение азота загрязняют воду и воздух. Производство азотных удобрений также использует ископаемое топливо. Основные зерновые культуры (такие как рис и пшеница) усваивают лишь около 40% внесённого удобрения — остальное теряется в воздухе, воде и поглощается почвенными микробами. Внесение азотных удобрений задерживает цветение, делая урожай уязвимым к поздним холодам, которые могут нарушить налив зерна. Признаки, увеличивающие количество зерна и позволяющие культуре созревать раньше, улучшат урожайность и важны как для систем двойного/тройного посева, так и для расширения ареала риса в регионы с более высокими широтами. Хотя эти признаки ценны для зерновых культур, селекционеры достигли в этой области мало успехов.
Новое исследование на ключевой продовольственной культуре рисе (Oryza sativa) выявило нитратный транспортер (NRT), который может решить проблему использования азота и сроков цветения. В растении разные NRT перемещают азот из почвы в корни и азотные соединения по всему растению. Некоторые NRT также чувствуют уровень азота и запускают ответные реакции. Исследование Wang et al., опубликованное в The Plant Cell, показало, что рисовый OsNRT1.1A влияет как на использование азота, так и на время цветения. Мутантные линии, лишённые этого транспортера, показали сниженное использование нитрата и аммония. У мутантов была ниже индукция генов, связанных с поглощением и транспортом нитрата и аммиака; это указало, что OsNRT1.1A действует и как транспортер, и как сенсор азота в растениях. Интересно, что мутанты дали на 80% меньше зерна, чем обычный рис, и зацвели позже.
Чтобы улучшить урожайность и время цветения, авторы создали линии риса, производящие избыток OsNRT1.1A. Растения с повышенной экспрессией OsNRT1.1A были выше, зеленее и производили больше биомассы по сравнению с обычным рисом, выращенным на том же количестве азота. Эти растения также извлекали больше нитрата и аммония из среды в гидропонных экспериментах. В многолетних полевых испытаниях растения с повышенной экспрессией OsNRT1.1A показали увеличение урожайности более чем на 30% (и до 60%) на полях с высоким и низким уровнем азотных удобрений. Более того, эти растения зацвели на одну-две недели раньше контрольных растений риса.
Автор-корреспондент Chengcai Chu заявляет: «Примерно 100 лет использование азотных удобрений было одной из самых эффективных движущих сил повышения урожайности культур. По оценкам, ежегодно во всём мире в качестве удобрения используется более 120 миллионов тонн азота, что в значительной степени способствует азотному загрязнению. Внесение азота в высоких дозах также оказывает пагубное воздействие на культуры, такое как задержка цветения и, следовательно, удлинение сроков созревания. OsNRT1.1A может предложить решение конфликта между увеличением азотного питания и ранним сроком созревания — двумя наиболее желательными признаками для сельскохозяйственного производства».
Примечательно, что повышенная экспрессия этого NRT из вида злаков также улучшила урожай семян и использование азота у двудольного растения с широкими листьями — модельного объекта Arabidopsis. Эти многообещающие результаты, показанные в лаборатории и подтверждённые в течение нескольких лет и в разных местах в полевых условиях, указывают на то, что манипулирование экспрессией OsNRT1.1A имеет потенциал для увеличения урожайности и ускорения цветения — двух важнейших признаков, которые ищут в селекционных программах множества видов сельскохозяйственных культур.