Ученые нашли способ, как активизировать эндосимбиотические партнерства растений и микробов в условиях современного поля. Тип партнерства, известный как эндосимбиоз, где один организм существует внутри другого, позволяет, например, бобовым растениям извлекать питательные вещества из почвы с помощью микробов в обмен на сахара. Препятствием к широкому использованию эндосимбиотических партнерств в сельском хозяйстве является то, что они преимущественно возникают в почвах с низким содержанием питательных веществ, что противоречит условиям интенсивного земледелия. Теперь исследователи смогли решить эту головоломку.
Ученые обнаружили биологический механизм, который делает корни растений более благоприятными для полезных почвенных микробов. Это открытие исследователей Центра Джона Иннеса прокладывает путь к более экологически чистым методам ведения сельского хозяйства, потенциально позволяя фермерам использовать меньше удобрений.
Производство большинства основных культур зависит от нитратных и фосфатных удобрений, но чрезмерное использование удобрений вредно для окружающей среды. Если бы мы могли использовать взаимовыгодные отношения между корнями растений и почвенными микробами для улучшения усвоения питательных веществ, то потенциально смогли бы сократить использование неорганических удобрений.
Исследователи из группы доктора Мириам Шарпантье обнаружили мутацию в гене бобового растения люцерны усеченной (Medicago truncatula), которая перепрограммирует сигнальную способность растения таким образом, что оно усиливает партнерские отношения с азотфиксирующими бактериями, называемыми ризобиями, и грибами арбускулярной микоризы, которые снабжают корни фосфором.
Слева: корневой волосок Medicago truncatula с флуоресцентным клеточным ядром; вверху справа — окрашенный красителем корневой клубень, место фиксации азота; внизу справа — окрашенное изображение арбускулярных микоризных грибов. Автор фото: Эдмунд Бридж.
Этот тип партнерства, известный как эндосимбиоз, где один организм существует внутри другого, позволяет бобовым растениям извлекать питательные вещества из почвы с помощью микробов в обмен на сахара.
Препятствием к широкому использованию эндосимбиотических партнерств в сельском хозяйстве является то, что они преимущественно возникают в почвах с низким содержанием питательных веществ, что противоречит условиям интенсивного земледелия.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, эксперименты показали, что мутация гена в сигнальном пути кальция усиливает эндосимбиоз в условиях интенсивного земледелия.
Интересно, что команда использовала генетические подходы, чтобы показать, что та же самая генная мутация в пшенице усиливает колонизацию азотфиксирующими бактериями и грибами арбускулярной микоризы в полевых условиях.
Результаты представляют собой захватывающий прорыв в давней амбиции использовать улучшенные эндосимбиотические партнерства в качестве естественных альтернатив неорганическим удобрениям для основных культур, включая злаки и бобовые.
«Наши результаты имеют большой потенциал для развития устойчивого сельского хозяйства. Неожиданно и волнительно, что выявленная нами мутация усиливает эндосимбиоз в условиях земледелия, поскольку она открывает возможности для устойчивого производства сельскохозяйственных культур с использованием эндосимбионтов наряду с сокращением использования неорганических удобрений. Это открытие вносит большой вклад в исследования кальциевой сигнализации, а также предлагает решение для перехода к более устойчивому производству экономически важных культур», - сказала доктор Шарпантье.
Предыдущие исследования группы Шарпантье показали, что кальциевая сигнализация в ядрах клеток корня имеет важное значение для установления корневого эндосимбиоза с полезными азотфиксирующими бактериями и грибами арбускулярной микоризы.
Данное исследование расшифровывает этот ключевой сигнальный механизм, показывая, как колебания кальция регулируют выработку соединений, называемых флавоноидами, которые усиливают эндосимбиоз.
Эндосимбиоз корней очень полезен для растений, увеличивая поглощение питательных веществ и устойчивость к стрессу. Растет потребность в разработке высокоурожайных, устойчивых к болезням культур и сокращении использования удобрений для защиты окружающей среды, а также снижения затрат для фермеров. Сочетание устойчивости к болезням и изменению климата с эффективным усвоением питательных веществ за счет улучшенной связи с симбиотическими микроорганизмами является ключевым элементом амбициозной цели АПК будущего.
Источник: John Innes Centre.
На заглавном фото - грибы арбускулярной микоризы в корнях растения. Автор фото: Эдмунд Бридж.