Ученые определили пептид, который значительно усиливает симбиоз между растениями и грибами арбускулярными микоризными грибами в почве для процветания урожая в биологизированных системах АПК.
Промышленные методы ведения сельского хозяйства часто истощают почву от важных питательных веществ и минералов, заставляя фермеров полагаться на искусственные удобрения для поддержки роста растений. Фактически, использование агрохимических удобрений увеличилось более чем в четыре раза с 1960-х годов, но это влечет за собой серьезные экологические последствия – при чрезмерном использовании синтетические удобрения могут загрязнять окружающую среду, а их производство требует большого количества энергии.
Биологи из Института Солка предлагают новое биологизированное решение. Они идентифицировали ключевую молекулу, вырабатываемую корнями растений, небольшой пептид под названием CLE16, который побуждает растения и полезные почвенные грибы взаимодействовать друг с другом. Ученые говорят, что усиление этих симбиотических отношений, в которых грибы обеспечивают минеральные питательные вещества для растений посредством добавки CLE16, может быть более естественным и устойчивым способом стимулирования роста урожая без использования искусственных удобрений.
Результаты исследования опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Многие растения эволюционировали, чтобы вступать в симбиотические отношения с другими видами, но методы промышленной селекции ослабили многие черты симбиоза у наших современных культур и усилили их зависимость от химических удобрений. Восстановив естественный симбиоз между корнями растений и грибами, мы могли бы помочь сельскохозяйственным культурам получать необходимые им питательные вещества без использования агрохимических удобрений», - говорит старший автор исследования Лена Мюллер, доцент университета Солка.
В этом взаимовыгодном отношении почвенные арбускулярные микоризные грибы снабжают растения водой и фосфором, которые растения принимают в обмен на молекулы углерода. Эти обмены происходят с помощью специализированных симбиотических грибныхусиков, называемых арбускулами, которые зарываются в клетки корней растений.
Около 80% растений могут обмениваться ресурсами с грибами таким образом. Однако черты, которые поддерживают этот симбиоз, были ослаблены за столетия сельскохозяйственной селекции растений, которая отдавала приоритет созданию культур с самой высокой урожайностью.
Ученые из Солка утверждают, что можно вывести новые сорта сельскохозяйственных культур, чтобы снова усилить эти качества. Для этого лаборатория Мюллера начала с выращивания вида арбускулярного микоризного гриба вместе с люцерной усеченной (Medicago truncatula), небольшим средиземноморским бобовым. После того, как образовались симбиотические отношения, исследователи стали искать, какие гены поддерживают это взаимодействие.
Бобовые начали экспрессировать большие количества небольшой сигнальной молекулы CLE16 — члена семейства пептидов CLE. Эти небольшие сигнальные молекулы присутствуют во многих видах растений, но были относительно мало изучены. До CLE16 единственные растительные пептиды CLE, которые изучали ученые, работали против симбиоза.
«Мы обнаружили первый растительный CLE-пептид, который действительно способствует и способствует симбиозу. С научной точки зрения очень волнительно получить столь удивительное новое понимание этих пептидов. Это огромный шаг к достижению устойчивых отношений между растениями и грибами в этой области», - говорит первый автор Сагар Башьял, аспирант в лаборатории Мюллера.
Чтобы подтвердить, что CLE16 способствует симбиотическим отношениям, Башьял добавил избыток CLE16 в почву, чтобы посмотреть, что произойдет. Дополнительная доза CLE16 заставила грибные арбускулы стать более крепкими и жить дольше, в конечном итоге увеличив обилие этих структур обмена питательными веществами в корнях. Результатом стал самоусиливающийся сигнал просимбиоза: чем больше полезный гриб разрастался внутри корней, тем больше пептида CLE16 вырабатывалось растением, что затем способствовало еще большей грибной колонизации.
Затем команда провела серию экспериментов, чтобы понять, как CLE16 стимулирует это взаимодействие между растениями и полезными грибами. Их выводы показали, что CLE16 способствует симбиозу через сигнальный белок CORYNE (CRN), компонент рецепторного комплекса CLAVATA, известного своей ролью в реакциях растений на окружающую среду.
Когда растение подвергается стрессу, оно переходит в состояние повышенной иммунной защиты, чтобы защитить себя от любых дальнейших угроз. Однако это также непреднамеренно делает растение менее восприимчивым к окружающим грибкам. Мюллер предсказывает, что когда CLE16 связывается с рецепторным комплексом CRN-CLAVATA, это снижает уровень стресса и иммунную реактивность растений, позволяя полезному грибу проникать в корни растений и запускать обмен питательными веществами.
Важно отметить, что команда Мюллера показала, что многие грибы арбускулярной микоризы также производят собственные пептиды, подобные CLE16, которые также способствуют симбиозу при добавлении в почву. Исследователи полагают, что эти грибные пептиды имитируют собственные пептиды CLE16 растений, тем самым позволяя полезному грибу усиливать симбиоз, связываясь с теми же комплексами рецепторов CRN-CLAVATA растений.
После подтверждения того, что добавление как растительного CLE16, так и грибного CLE16-подобного пептида улучшает симбиоз, аналогичное внесение на сельскохозяйственных угодьях может стать решением для стимуляции роста грибных сетей, которые приносят пользу сельскохозяйственным культурам из года в год.
Будущая работа подтвердит, способствуют ли пептиды CLE16 или грибные пептидные имитаторы CLE16 симбиозу в важных культурах, таких как соя, кукуруза или пшеница. Если это так, то начнется использование этих молекул для замены неустойчивых, загрязняющих окружающую среду химических удобрений полезными грибами.
«Помимо действия в качестве биологического удобрения, грибы арбускулярной микоризы также создают для растений слой естественной защиты, который может помочь нам сократить использование пестицидов. Если мы сможем использовать полезные грибы и другие микробы, чтобы помочь растениям установить эти симбиотические отношения, мы сможем сделать наши посевы, поля и почвы более устойчивыми и здоровыми в долгосрочной перспективе», - заключил Мюллер.
Источник: Salk Institute.
На фото - грибы арбускулярной микоризы (зеленые) в корне Medicago truncatula (красный). Источник: Salk Institute.