Здоровье почвы — критически важный фактор продовольственной безопасности во всем мире. Почти 40% пахотных земель в мире имеют кислую реакцию, выделяя токсичные ионы алюминия, которые повреждают корни растений, нарушают усвоение питательных веществ и резко снижают урожайность. Хотя фермеры часто пытаются бороться с этим воздействием с помощью внесения почвенных добавок, такие решения дорогостоящи, временны и часто недоступны для мелких фермеров в развивающихся регионах.
Вместе с тем некоторые растения выработали естественную защиту от стресса, вызванного алюминием. Распространенной стратегией является выделение из корней органических кислот, таких как цитрат, малат или оксалат. Эти кислоты связывают ионы алюминия, нейтрализуя их токсичность и защищая рост корней.
Ячмень, важный злак для производства продуктов питания, кормов и пивоварения, обычно чувствителен к кислым почвам. Тем не менее, некоторые сорта ячменя обладают высокой устойчивостью благодаря особому корневому белку, который активно перекачивает цитрат в почву, нейтрализуя алюминий до того, как он повредит растение. Эта адаптация позволяет этим сортам процветать в условиях, где большинство ячменя, как и многих других культур, испытывают трудности. Однако до сих пор детальная структура этого защитного белка и его молекулярный механизм оставались неизвестными.
Новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) под руководством профессора Мичихиро Суги из Научно-исследовательского института междисциплинарных наук Университета Окаяма (Япония), впервые раскрыло детальную структуру HvAACT1 — белка корня ячменя, ответственного за устойчивость к алюминию. Группа исследователей, в которую входили Чан Нгуен Тхао, доктор Намики Митани-Уэно и профессор Цзянь Фэн Ма, представила структурную основу для оттока цитрата у растений, заполнив давний пробел в понимании механизмов устойчивости к алюминию.
HvAACT1 принадлежит к семейству белковых переносчиков лекарственных средств и токсичных соединений (MATE), которые широко распространены среди растений, животных и микроорганизмов.
«HvAACT1 не похож на большинство структурно охарактеризованных белков MATE. В то время как многие транспортеры MATE перемещают положительно заряженные молекулы, этот специализируется на экспорте отрицательно заряженных молекул цитрата. После высвобождения цитрат связывает токсичный алюминий вне корня, делая почву более безопасной для растения», — объясняет профессор Суга.
Чтобы запечатлеть действие белка, исследователи использовали передовые методы структурной биологии. Они расшифровали его структуру с помощью рентгеновской кристаллографии на синхротронном ускорителе, дополненной моделированием молекулярной динамики и мутационным анализом, получив изображения высокого разрешения, раскрывающие структуру белка с почти атомным уровнем детализации. Эти изображения показали, что HvAACT1 имеет два координированных участка: один, распознающий цитрат, и другой, связывающий протоны (ионы водорода). Взаимодействие между этими участками позволяет белку эффективно перекачивать цитрат в почву.
Это не только объясняет, как ячмень переносит стресс, вызванный алюминием, но и открывает новый тип биологии транспортеров. В отличие от других белков того же семейства, которые обычно перемещают положительно заряженные или ароматические молекулы, HvAACT1 транспортирует отрицательно заряженные соединения. Эта необычная функция расширяет понимание устойчивости растений и универсальности белков.
Данное открытие основано на более ранних опубликованных исследованиях, впервые идентифицировавших транспортер ячменя, ответственный за устойчивость к алюминию.
Текущее исследование предоставляет долгожданное структурное объяснение принципа работы этого белка, открывая возможности для его практического применения в сельском хозяйстве и за его пределами.
«Как учёные, мы всегда вдохновляемся тем, как природа решает проблемы. Раскрыв структуру этого белка, мы получили основу для разработки и селекции культур, способных выдерживать кислые почвы, обеспечивая стабильные урожаи даже в сложных условиях», — говорит Суга.
В целом, исследование демонстрирует, как выявление скрытых стратегий растений может помочь решить одну из самых серьёзных проблем сельского хозяйства. Учитывая, что кислые почвы ограничивают производство сельскохозяйственных культур во всём мире, знания молекулярной биологии могут помочь в разработке устойчивых методов ведения сельского хозяйства и инновационных биотехнологических решений, вселяя надежду на более устойчивое и безопасное глобальное снабжение продовольствием.
Источник: Okayama University.
