Новый инструмент для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к дефициту фосфора

Устойчивость растений к дефициту фосфора связана с ранее неизвестным семейством липидов.

Фосфор (P) — один из трёх основных питательных элементов для растений, однако его недостаточно примерно на 40% пахотных земель мира. Понимание механизмов, которые растения выработали для преодоления дефицита P, может помочь в создании устойчивых к этому дефициту культур. Кадзуки Сайто, Ёдзо Окадзаки и их коллеги из RIKEN Center for Sustainable Resource Science и других институтов Японии идентифицировали новый класс растительных липидов, необходимый для устойчивости к дефициту фосфора.

Богатые фосфором фосфолипиды — основной компонент клеточных мембран растений. В условиях дефицита P растения могут мобилизовать фосфор, заменяя фосфолипиды на глицеролипиды, не содержащие фосфора. Однако об этих не содержащих P глицеролипидах было мало известно из-за сложностей в дифференциации и характеристике растительных липидов, которые включают сотни молекул, различающихся лишь небольшими структурными отличиями.

Команда Сайто использовала новую методику масс-спектрометрии, разработанную ранее для нетаргетного профилирования липидов, чтобы получить уникальные молекулярные сигнатуры для идентификации. Профили липидов модельного растения Arabidopsis, выращенного в условиях как дефицита, так и достатка P, показали, что в мембранах растений с дефицитом P содержится меньше фосфолипидов и больше не содержащих P глицеролипидов. Самое интересное — анализ выявил ранее неизвестный липид UK1.

Данные масс-спектра UK1 совпали с сигнатурой GlcADG — известного липида грибов и бактерий. Исследователи также показали, что жирнокислотная часть GlcADG почти идентична таковой у SQDG (не содержащего P липида), что указывает на частичное производство обоих по одному биохимическому пути.

Чтобы определить функцию GlcADG, команда вырастила мутантные и дикие растения Arabidopsis в условиях дефицита P. Они обнаружили, что мутанты, лишённые как GlcADG, так и SQDG, были сильно повреждены: у них наблюдались обесцвеченные листья и сниженное содержание хлорофилла. Однако растения, способные производить хотя бы один не содержащий P глицеролипид — GlcADG — оставались здоровыми.

"В условиях дефицита фосфора состав мембран радикально меняется для мобилизации фосфора, но мембраны по-прежнему должны обеспечивать подходящую биохимическую среду для работы необходимых ферментов", — поясняет Окадзаки.

Таким образом, GlcADG, по-видимому, помогает "настроить" среду мембраны с низким содержанием P для функционирования ферментов.

Команда Сайто теперь планирует изучить пути, производящие основные компоненты GlcADG.

"Понимание этого механизма сделает возможным инженерию устойчивости растений к среде с низким содержанием фосфора", — говорит Сайто.

Учитывая ограниченность мировых ресурсов фосфорных удобрений, растения, устойчивые к дефициту P, могут стать жизненно важными для сельского хозяйства будущего.