Управление симбиозом почвенных грибов с помощью ключевого переключателя может решить давнюю сельскохозяйственную проблему.
В ходе эволюции растения выработали изящную стратегию противодействия недостатку фосфатов в почве — они образуют симбиотические отношения с почвенными грибами. Эти микоризные грибы эффективно снабжают своих растений-партнеров фосфатами и другими необходимыми минералами.
Недавно ученые из Института биохимии растений им. Лейбница (Leibniz Institute of Plant Biochemistry, IPB) в Галле в сотрудничестве с партнерами из Боннского университета обнаружили молекулярный переключатель, который определяет содержание фосфатов в растении и сигнализирует о начале или прекращении симбиоза. Этот сигнальный путь может позволить растениям формировать партнерские отношения с почвенными грибами даже при достаточном количестве фосфатов. Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, предлагает потенциальное решение давней сельскохозяйственной проблемы и открывает новые возможности для сокращения использования удобрений.
Инокуляция сельскохозяйственных культур микоризными грибами имеет решающее значение для повышения урожайности. Тонкие гифы грибов действуют как разветвленная корневая система, значительно увеличивая поглощение минералов и питательных веществ. Фосфат особенно важен для растений, поскольку является ключевым регулятором их энергетического баланса, и они эффективно извлекают его из почвы благодаря этому симбиозу. Однако это партнерство имеет свою цену для растений: они должны отдавать часть производимых ими углеводов грибам.
«Эти затраты настолько высоки для растения, что оно подавляет симбиоз, когда в почве достаточно фосфатов», — объясняет Мартина Рид-Ласи, руководитель исследовательской группы по сигнализации симбиоза в IPB.
Несмотря на достаточное поступление фосфатов, отказ от симбиоза негативно сказывается на урожайности, поскольку грибы также способствуют усвоению азота, магния и калия.
«Поэтому сельское хозяйство ищет стратегии для поддержания микоризных ассоциаций в сельскохозяйственных культурах независимо от наличия фосфатов в почве. Наше исследование демонстрирует потенциальный подход к целенаправленному стимулированию таких симбиозов в будущем», — говорит Габриэль Шааф из Боннского университета.
Переключатель VIH2, лежащий в основе симбиоза
Используя модельное растение лядвенец японский (Lotus japonicus), исследовательская группа идентифицировала фермент VIH2 как ключевой регулятор формирования симбиоза. VIH2 контролирует производство инозитолпирофосфатов, которые являются сигнальными молекулами, указывающими на уровень фосфатов в клетке. Когда в клетке мало фосфатов, VIH2 производит небольшое количество инозитолпирофосфатов, сигнализируя клетке о начале программы голодания. Эта реакция включает активацию генов, отвечающих за дефицит фосфатов, изменение архитектуры корней и инициирование микоризного симбиоза.
При достаточном поступлении фосфатов VIH2 производит большое количество этих сигнальных молекул. Соответственно, реакция на дефицит фосфатов подавляется, а взаимодействие с микоризными грибами ингибируется.
«Мы исследовали, сможет ли целенаправленное ингибирование фермента возобновить реакцию на дефицит фосфатов и способствовать образованию микоризы. И действительно, растения вели себя так, как будто страдали от дефицита фосфатов, даже несмотря на то, что в культуральной среде присутствовало достаточное количество фосфатов», — сообщает Рид-Ласи.
В результате растения сохранили интенсивную колонизацию микоризными грибами, которая обычно подавляется в данных условиях содержания фосфатов. Наиболее важное открытие исследовательской группы: устойчивый симбиоз не оказал негативного влияния на рост и развитие ни одного из партнеров в изученных экспериментальных условиях. Грибные структуры в корнях оставались стабильными и функциональными, а растения продемонстрировали повышенное поглощение фосфатов и других питательных веществ.
«Это позволило нам отделить регулирование микоризного симбиоза от фосфатного статуса почвы. Это была центральная цель исследований микоризы на протяжении десятилетий», — говорит Шааф.
С помощью VIH2 специалисты по растениям выявили ключевой регуляторный переключатель, контролирующий установление симбиоза. Это может позволить в будущем целенаправленно манипулировать микоризацией у сельскохозяйственных культур.
В отличие от традиционных подходов, современные методы селекции, такие как редактирование генома, позволяют гибко и быстро оптимизировать готовность растения к симбиозу. Однако, подтвердится ли влияние на урожайность и стабильность в полевых условиях, еще предстоит проверить. Тем не менее, данное исследование представляет новую концептуальную модель, которая напрямую связывает восприятие фосфатов растениями с регулированием симбиотических отношений.
Дефицит фосфатов и зависимость от агрохимических удобрений
Фосфор в форме фосфата играет центральную роль в энергетическом обмене всех живых организмов. Фосфат считается ограниченным, невозобновляемым ресурсом. Кроме того, многие месторождения сырого фосфата загрязнены тяжелыми металлами. Примерно 90% из 200 миллионов тонн сырого фосфата, добываемого во всем мире ежегодно, используется для производства удобрений. Без удобрений выращивание высокоурожайных культур было бы невозможно.
Однако чрезмерное использование фосфатных и минеральных удобрений приводит к экологическим проблемам, таким как загрязнение почвы тяжелыми металлами, загрязнение грунтовых вод и эвтрофикация водных экосистем. Микоризация сельскохозяйственных культур имеет решающее значение для решения проблемы фосфатов в сельском хозяйстве. С помощью этих грибов в почве фермеры могут сократить использование минеральных удобрений, одновременно снижая риск эвтрофикации.
Источник: Leibniz Instiute of Plant Biochemistry.
На заглавном фото вы видите микроскопическое изображение арбускулярных микоризных структур в клетках коры корня Lotus japonicus. Источник: Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aec5607