Проблема с доступностью фосфора для растений на полях хорошо известна. Без этого важнейшего элемента растения замирают в росте, чахнут и отказываются плодоносить. Особенно остро эту «фосфорную диету» переживает рапс — одна из главных масличных культур планеты, из которой делают как полезное масло, так и экологичное биотопливо. Фермеры вынуждены вносить тонны дорогих удобрений, но большая их часть фосфора просто связывается в почве и остается недоступной для корней. Однако ученые обнаружили, что помочь может салициловая кислота.
Фосфор (P) — это важный макроэлемент, играющий ключевую роль во многих фундаментальных физиологических и биохимических процессах растений, включая перенос энергии, синтез нуклеиновых кислот, целостность мембран, фотосинтез и передачу сигналов.
Несмотря на свою важность, фосфор является одним из наименее доступных макроэлементов в большинстве сельскохозяйственных почв. Низкая доступность обусловлена его плохой растворимостью, сильной адсорбцией на частицах почвы и склонностью к образованию нерастворимых комплексов — факторами, которые в совокупности ограничивают поглощение корнями растений.
В глобальном масштабе дефицит фосфора представляет собой значительное абиотическое ограничение, влияющее на урожайность сельскохозяйственных культур примерно на 30–40% пахотных земель и, таким образом, представляющее существенную угрозу глобальной продовольственной безопасности.
Рапс является основной масличной культурой и важным источником пищевого масла, белковой муки и сырья для биотоплива во всем мире. Однако рапс очень чувствителен к стрессу, вызванному дефицитом фосфора, что обычно приводит к замедлению роста, снижению накопления биомассы, нарушению развития корней, хлорозу, снижению эффективности фотосинтеза и, в конечном итоге, к значительному снижению урожайности семян и содержания масла.
Учитывая растущий спрос на продукцию переработки рапса, разработка эффективных и устойчивых стратегий повышения эффективности использования фосфора и устойчивости к стрессу, вызванному дефицитом фосфора, у таких культур, как рапс, имеет критически важное значение.
Растения выработали сложные адаптивные механизмы для преодоления стресса, вызванного дефицитом фосфора, включающие скоординированные морфологические, физиологические и молекулярные изменения. Эти стратегии включают модификации архитектуры корневой системы для улучшения усвоения фосфора из почвы, увеличение секреции органических кислот и фосфатаз для мобилизации нерастворимого фосфора, а также повышение активности высокоаффинных фосфатных транспортеров для улучшения усвоения фосфора из почвенного раствора.
На молекулярном уровне растения организуют сложные сигнальные сети, включающие фитогормоны и факторы транскрипции, для регулирования гомеостаза фосфора.
В ходе масштабного молекулярного исследования ученые из Китая проверили, как рапс отреагирует на экзогенное применение салициловой кислоты в условиях сильного дефицита фосфора.
Результаты превзошли все ожидания. Малые дозы этого вещества сработали как мощнейший биостимулятор и полностью заблокировали стресс у молодых проростков. Растения, которые должны были остановиться в росте и пожелтеть, под воздействием кислоты, напротив, стали процветать.
В их листьях активизировался синтез хлорофилла, из-за чего они приобрели яркий зеленый цвет, а фотосинтез стал работать на полную мощность.
Но самое интересное открылось, когда ученые заглянули внутрь клеток рапса с помощью РНК-секвенирования. Оказалось, что салициловая кислота устроила настоящую революцию на генетическом уровне. Она принудительно «включила» скрытые гены особого семейства фосфатных транспортеров. Эти гены заставили корни растения работать как супермощные насосы, которые начали выкачивать из бедной почвы фосфор.
Более того, кислота запустила в рапсе систему антиоксидантной защиты. При фосфорном голодании в тканях растений выделяются опасные токсины — супероксид-анионы, которые, образно говоря, выжигают клетки изнутри. Салициловая кислота активировала ферменты-пероксидазы, которые сработали как внутренние санитары: они нейтрализовали яд, очистили организм рапса и спасли клетки от разрушения. Параллельно включились гены, отвечающие за азотный обмен и выработку глутатиона, превратив чахлые сеянцы в устойчивые всходы.
Конечно, пока эти результаты получены в строго контролируемых лабораторных условиях, и ученым еще предстоит обкатать технологию на реальных полях. Но уже сейчас понятно, что копеечная салициловая кислота имеет потенциал в решении проблемы фосфорного голодания рапса.