Растениям нужен фосфор для роста и выживания. В условиях низкого уровня доступного почвенного фосфора растениям необходимо приспособиться, чтобы выжить. Hakea laurina, древесное растение семейства Proteaceae, естественным образом встречается в местах обитания, сильно обедненных фосфором (P), на юго-западе Австралии. У него развиваются характерные пучковые корни, которые демонстрируют высокую способность к выделению карбоксилата и активность кислой фосфатазы, что способствует его усвоению P.
Хакея лавровая, которую еще называют «подушечная» из-за цветков, напоминающих иголки, воткнутые в подушечку, - крупный древесный вечнозеленый кустарник, произрастающий на юго-западе Австралии, в регионе с удивительно низким содержанием фосфора в почве. Это растение приспособилось к этим условиям, сформировав пучковые (или кластерные) корни - большое количество более мелких корешков, отходящих от корневой оси и напоминающих ершик для бутылок, - чтобы извлекать небольшое количество фосфора из почвы.
Кластерные корни помогают растениям в почвах с низким содержанием питательных веществ, увеличивая площадь поверхности корней, контактирующих с почвой, улучшая их способность извлекать ограниченные ресурсы. Кроме того, пучковые корни выделяют химические вещества и ферменты для повышения биодоступности питательных веществ, в первую очередь фосфора, в почве.
На фото вы видите корни Hakea laurina, приспособленные для выживания растения в почвах с высоким содержанием питательных веществ. Автор фото: Хироцуна Ямада, Университет Хиросимы.
Например, кислая фосфатаза - это фермент, выделяемый пучковыми корнями, который преобразует органический фосфор в форму, которую растения могут легко усвоить. Более глубокое понимание этих механизмов выживания может в конечном итоге помочь исследователям разрабатывать продовольственные культуры, которые могут процветать в почвах с дефицитом питательных веществ.
Хотя исследователям удалось успешно идентифицировать многие химические вещества, выделяемые пучковыми корнями для улучшения доступности фосфора, гены и молекулярные пути, ответственные за секрецию и поглощение фосфора пучковыми корнями у растений семейства протейных, включая хакею лавровую, не были идентифицированы.
Чтобы лучше понять, как функционируют кластерные корни на молекулярном уровне, исследователи из Университета Хиросимы, Университета Западной Австралии, Университета Окаямы, Университета Хоккайдо, Университета Ямагаты и других институтов совместно провели эксперимент по секвенированию РНК на хакее лавровой, чтобы идентифицировать гены, экспрессирующиеся в ее пучковых корнях. Группа опубликовала результаты своего исследования в журнале New Phytologist.
«Наш главный вопрос был: как хакея лавровая, Hakea laurina, выживает в среде с крайне ограниченным содержанием фосфора? Наша гипотеза заключалась в том, что у нее есть особые стратегии для максимального высвобождения корневых экссудатов, таких как карбоксилаты и кислые фосфатазы, из ее пучковых корней, которые важны для повышения доступности фосфора в почве», - сказал доктор Хироцуна Ямада, доцент Высшей школы комплексных наук для жизни при Университете Хиросимы и первый автор исследовательской работы.
Исследователи сравнили гены, экспрессируемые в зрелых корнях кластера, с генами в соседних боковых корнях в качестве контроля. Это сравнение выявило 4210 генов, которые были экспрессированы на более высоких уровнях в корнях кластера, что предоставило большое количество перспективных генов, связанных с повышенной секрецией и поглощением кластера корней. Они включали фосфатные транспортеры, участвующие в поглощении фосфата в корне и кислые фосфатазы. Кроме того, анализ путей Киотской энциклопедии генов и геномов (KEGG) показал, что эти кластерные корни усиливают метаболизм карбоксилатов, что может способствовать увеличению поставок карбоксилатов малата и цитрата для секреции в почвы с низким содержанием фосфора.
Одним из высокоэкспрессируемых генов в корнях куста хакеи подушечковой был белок-транспортер малата, активируемый алюминием (ALMT), который исследователи идентифицировали как HalALMT1.
Этот HalALMT1 разделяет 51% своей выведенной аминокислотной последовательности с LaALMT1, переносчиком малата, например в белом люпине (Lupinus albus), который выделяет малат в почву и, таким образом, повышает доступность фосфора.
Электрофизиологические анализы и сверхэкспрессия в модельном растении Arabidopsis thaliana установили, что малат, опосредованный HalALMT1, высвобождается в почву. Его активность еще больше усиливалась в присутствии алюминия, который может быть токсичным для растений в кислой почве. Эти результаты свидетельствуют о том, что HalALMT1 помогает как мобилизовать фосфор, так и снизить токсичность алюминия для растений посредством секреции малата.
Исследователи также обнаружили уникальный паттерн экспрессии HalALMT1 в корневых пучках, который дополнительно способствует выживанию в почве с дефицитом фосфора .
«Наши результаты показывают, что клетки коры в пучках корней Hakea laurina являются местами секреции карбоксилата и кислой фосфатазы, что потенциально способствует быстрому высвобождению корневых экссудатов. Отсутствие опробковевшего экзодермиса, диффузионного барьера, еще больше усиливает эту черту, предлагая новые идеи об адаптации растений к дефициту фосфора», - сказал доктор Джун Васаки, профессор Высшей школы комплексных наук для жизни в Университете Хиросимы и старший автор исследовательской работы.
Хотя открытие нового пути секреции в пучковых корнях внесло значительный вклад в понимание механизмов выживания растений в этой области, остаются и другие вопросы.
«Необходимо получить полное представление о формировании и физиологических функциях пучковых корней, а также определить ключевые факторы, которые их регулируют, и применить изысканные стратегии получения фосфора пучковыми корнями к сельскохозяйственным культурам. Наша исследовательская группа планирует и дальше развивать понимание пучковых корней с целью применения этих знаний для улучшения сельскохозяйственных культур», - заключил доктор Ямада.
Источник: Hiroshima University.
На заглавном фото - Hakea laurina, кустарник, произрастающий на юго-западе Австралии, наиболее известный своими красивыми цветами в форме подушечек для иголок. Автор фото: Ханс Ламберс, Университет Западной Австралии.