Новое исследование японских ученых на модельном бобовом растении выявило неожиданную регуляторную функцию нитратредуктазы. Эксперименты на мутантных линиях доказали, что накопление внутреннего нитрата доминирует над внешними сигналами среды. Это открывает новые стратегии для маркерной селекции бобовых культур.
Ученые из Университета Цукубы перевернули представление о питании бобовых, доказав, что растения ориентируются на внутреннее состояние азота, а не на его внешнее количество в почве. Исследование показало, что фермент нитратредуктаза играет роль регулятора: при блокировке этого фермента растения «думают», что перекормлены азотом, и прекращают симбиоз с бактериями, даже испытывая голод.
В исследовании, опубликованном в журнале Plant and Cell Physiology, коллектив ученых Университета Цукубы под руководством профессора Такуи Судзаки, в который вошли Момоё Ито, Сёхэй Нодзаки и их коллеги, доказал, что нитратредуктаза (ген NIA) управляет формированием клубеньков, контролируя уровень внутреннего (эндогенного) нитрата в тканях растения, а не просто реагирует на азот снаружи.
Это полностью меняет классическое представление о том, как бобовые растения «считают» азот в почве.
До этого исследования считалось, что растение тормозит образование клубеньков (симбиоз с ризобиями), когда датчики на поверхности корня фиксируют высокий уровень внешнего нитрата в почве.
Ученые из Университета Цукубы доказали обратное: главное — внутренний баланс. Решающее значение для блокировки или запуска симбиоза имеет концентрация нитрата внутри самого растения. Нитратредуктаза (NIA) выполняет двойную роль и работает не только как «переработчик» азота (первый этап ассимиляции), но и как главный молекулярный буфер, поддерживающий этот внутренний статус.
Исследователи провели опыты на модельном бобовом растении Lotus japonicus (Лядвенец японский) с отключенным геном нитратредуктазы.
У растений с потерей функции NIA нитрат перестал нормально перерабатываться и начал лавинообразно накапливаться внутри клеток. Из-за этого внутреннего избытка растение полностью заблокировало развитие клубеньков. Произошел парадокс низкого азота: блокировка происходила даже тогда, когда ученые переносили мутантные растения в среду с экстремально низким содержанием азота (где в норме клубеньки должны расти максимально активно). Растение «думало», что оно перенасыщено азотом, из-за сбоя в работе нитратредуктазы.
Ранее эта же группа ученых открыла транскрипционные факторы семейства NLP (например, NRSYM1/LjNLP4), которые улавливают нитрат и дают сигнал гену CLE на системное подавление симбиоза. Свежее открытие связывает эту цепочку воедино: именно нитратредуктаза определяет, сколько нитрата доберется до этих факторов внутри клетки.
В перспективе это позволяет выводить регуляторные мутанты бобовых культур (сои, гороха), которые смогут эффективно фиксировать атмосферный азот из воздуха даже на умеренно удобренных почвах, что поможет снизить использование агрохимических азотных удобрений.
Источник: University of Tsukuba.