Две небольшие корректировки могут изменить мировое производство продуктов питания.
«Мы на шаг ближе к более экологичному и благоприятному для климата производству продуктов питания».
К такому выводу пришли Каспер Рёйкьер Андерсен и Симона Радутою, профессора молекулярной биологии Орхусского университета.
Их последнее исследование раскрывает важную подсказку, которая может помочь снизить глобальную зависимость от синтетических удобрений.
Как некоторые растения процветают без удобрений
Растениям необходим азот для роста, и большинство сельскохозяйственных культур получают его только из удобрений. Небольшая группа растений, включая горох, клевер и фасоль, может расти без добавления азота. В этих растениях обитают бактерии, которые живут в паре с их корнями и преобразуют азот из воздуха в форму, которую растение может использовать.
Исследователи по всему миру сейчас изучают молекулярные и генетические процессы, лежащие в основе этой естественной способности, надеясь, что в конечном итоге её можно будет внедрить в основные продовольственные культуры, такие как пшеница, ячмень и кукуруза.
Если эту особенность удастся успешно перенести, эти культуры могут стать самодостаточными в отношении азота. Это позволило бы снизить спрос на искусственные удобрения, на производство которых в настоящее время потребляется около двух процентов от общего мирового потребления энергии и которые приводят к значительным выбросам CO2.
Молекулярный переключатель, управляющий симбиозом
Ученые из Орхусского университета выявили небольшие, но критически важные изменения в растительных рецепторах, которые влияют на то, будет ли иммунная система отключена достаточно долго, чтобы позволить азотфиксирующим бактериям сформировать партнерство с растением.
Растения используют рецепторы на поверхности своих клеток для обнаружения химических сигналов от почвенных микроорганизмов.
Некоторые бактерии выделяют соединения, которые сообщают растению, что они «враги», вызывая защитную реакцию. Другие сигнализируют, что они «друзья», способные обеспечить растения питательными веществами.
Бобовые, такие как горох, фасоль и клевер, привлекают полезные бактерии в свои корни. Внутри этих корневых тканей бактерии преобразуют азот из воздуха и делятся им с растением. Это партнерство известно как симбиоз и объясняет, почему бобовые могут расти без добавления удобрений.
Исследователи из Орхусского университета обнаружили, что эта способность сильно зависит от двух аминокислот, которые являются небольшими «строительными блоками» в белке, расположенном в корнях растения.
«Это замечательное и важное открытие», — говорит Симона Радутою. Корневой белок действует как «рецептор», который считывает сигналы от бактерий и решает, активировать ли иммунную систему (сигнал тревоги) или разрешить симбиоз.
Идентификация детерминанта симбиоза 1
Команда исследователей идентифицировала небольшой участок в рецепторном белке, называемый детерминантом симбиоза 1. Этот участок работает как переключатель, который контролирует, какое сообщение отправляется внутри растительной клетки.
Изменив всего две аминокислоты в этом переключателе, исследователи смогли изменить рецептор, который обычно запускает иммунитет, так что он вместо этого инициирует симбиоз с азотфиксирующими бактериями.
«Мы показали, что два небольших изменения могут заставить растения изменить свое поведение в критически важном моменте — от отторжения бактерий к сотрудничеству с ними», — объясняет Радутою.
Расширение прорыва на основные сельскохозяйственные культуры
В лабораторных экспериментах исследователи успешно модифицировали растение Lotus japonicus. Затем они применили тот же подход к ячменю и наблюдали тот же эффект.
«Удивительно, что мы теперь можем взять рецептор из ячменя, внести в него небольшие изменения, и тогда фиксация азота снова заработает», — говорит Каспер Рёйкьер Андерсен.
Потенциальное влияние огромно. Если эту модификацию можно будет внедрить в широко выращиваемые зерновые культуры, то однажды может стать возможным выращивать пшеницу, кукурузу или рис, которые смогут сами фиксировать азот, подобно бобовым.
«Но сначала нам нужно найти другие, важнейшие ключи», — говорит Симона Радутою, добавляя:
«Сегодня лишь очень немногие культуры способны к симбиозу. Если мы сможем распространить это на широко используемые культуры, это действительно может существенно повлиять на то, сколько азота необходимо использовать».
