Двое исследователей из Орхусского университета выполнили новое исследование, в ходе которого они обнаружили важный ключ к пониманию того, как растениеводство может сократить потребность в агрохимических удобрениях.
Растениям для роста необходим азот – питательное вещество, которое большинство сельскохозяйственных культур получают исключительно из удобрений. Лишь немногие бобовые растения, такие как горох, клевер и фасоль, могут обходиться без него. Они живут в симбиозе со специальными бактериями, которые преобразуют азот из воздуха в форму, доступную для растений.
Исследователи по всему миру стремятся понять генетические и молекулярные механизмы, лежащие в основе этой особой способности, чтобы однажды ее можно было передать таким культурам, как пшеница, ячмень и кукуруза. Это сделало бы зерновые самодостаточными в отношении азота и, таким образом, сократило бы потребность в агрохимических удобрениях, на долю которых в настоящее время приходится около двух процентов от общего мирового потребления энергии и которые выбрасывают большое количество CO2.
Профессора молекулярной биологии Орхусского университета Каспер Ройкьяр Андерсен и Симона Радутою выявили небольшие изменения в рецепторах растений, которые заставляют их отключать иммунную систему и позволяют вступать в симбиоз с азотфиксирующими бактериями.
Растения используют рецепторы на поверхности своих клеток для улавливания сигналов от микроорганизмов в почве. Некоторые бактерии выделяют химические вещества, которые сигнализируют растениям о том, что они «враги» и им нужно защищаться. Другие же — «друзья», которые помогают им питаться.
Бобовые, такие как горох, фасоль и клевер, привлекают в свои корни особые бактерии. Здесь они преобразуют азот из воздуха и передают его растению. Это взаимодействие называется симбиозом, и именно благодаря ему бобовые могут расти без большого количества минеральной подкормки.
Исследователи из Орхусского университета обнаружили, что эта способность во многом контролируется двумя аминокислотами — двумя небольшими «строительными блоками» белка в корнях растений.
Белок в корнях выполняет функцию «рецептора», принимающего сигналы от бактерий. Он решает, следует ли растению бить тревогу (иммунная система) или же приветствовать бактерии (симбиоз).
Исследователи обнаружили небольшую область в белке, которую они назвали «Симбиозным детерминантом 1». Эта область действует как своего рода переключатель, который определяет, какое сообщение посылается внутрь растительной клетки.
Изменив всего две аминокислоты в этом переключателе, исследователи смогли получить рецептор, который обычно запускает иммунный ответ, но вместо этого начинает симбиоз с азотфиксирующими бактериями.
В лабораторных условиях исследователи успешно модифицировали лядвенец японский (Lotus japonicus). Однако тот же принцип оказался применим и к ячменю.
Если эту модификацию можно будет перенести на другие культуры, то со временем можно будет вывести злаковые растения, такие как пшеница, кукуруза или рис, способные самостоятельно фиксировать азот — так же, как это делают сегодня бобовые.
Источник: Aarhus University.
