Учёные выяснили, как низкий уровень фосфора регулирует архитектуру риса и усвоение питательных веществ

Исследователи под руководством докторов Ван Бина и Ли Цзяяна из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук показали, что низкий уровень фосфора активирует биосинтез и сигнализацию строголактонов для регуляции архитектуры растения, а также поглощения азота и фосфата в рисе.

Также были созданы трансгенные растения с более высокой эффективностью использования питательных веществ, улучшенной архитектурой побегов и корней, а также увеличенной биомассой и урожайностью зерна в условиях низкого и среднего содержания фосфора. Исследование опубликовано в Molecular Plant 4 октября.

Фосфор — один из макроэлементов, необходимых для роста и развития сельскохозяйственных культур. Высокий урожай зависит от интенсивного использования химических удобрений, таких как фосфорные, которые увеличивают урожай, но снижают эффективность использования фосфора. Фосфоритная руда — невозобновляемый ресурс, а чрезмерное производство и внесение фосфорных удобрений приводят к растрате сельскохозяйственных ресурсов и загрязнению окружающей среды, что неблагоприятно для устойчивого развития сельского хозяйства.

Поэтому важно изучать механизмы реакции растений на низкий уровень фосфора, чтобы повысить эффективность его использования, сократить применение удобрений и достичь устойчивого развития.

Строголактоны — класс растительных гормонов, регулирующих различные биологические процессы и играющих важную роль в реакции на дефицит фосфора. Стресс от низкого содержания фосфора значительно индуцирует биосинтез строголактонов в рисе, но транскрипционные факторы, регулирующие этот процесс, ранее не были идентифицированы. Механизмы, с помощью которых строголактоны регулируют ключевую архитектуру растения и баланс азота и фосфора в условиях низкого фосфора, оставались неясными.

В данном исследовании обнаружено, что в условиях низкого содержания фосфора ключевой регулятор фосфорной сигнализации риса OsPHR2 напрямую активирует экспрессию генов NSP1, NSP2 и генов синтеза строголактонов. NSP1 и NSP2 также формируют гетеродимер, который напрямую связывается с промоторами генов синтеза строголактонов и активирует их транскрипцию.

Строголактон, в свою очередь, активирует свой сигнальный путь, чтобы:

• Подавлять удлинение пазушных почек (побегообразование) за счёт повышения экспрессии негативного регулятора OsTB1.
• Снижать плотность боковых корней за счёт подавления экспрессии гена CRL1.

Интересно, что учёные обнаружили, что строголактоны также:

• Подавляют поглощение и транспорт азота, регулируя экспрессию генов транспортеров азота (например, OsNRT2.1, OsNRT1.1B и OsNAR2.1).
• Способствуют поглощению фосфора, активируя экспрессию генов транспортеров фосфора (OsPTs).

Эти результаты раскрывают новый механизм, лежащий в основе баланса азота и фосфора в рисе.

Кроме того, исследователи выяснили, что хотя сверхэкспрессия NSP1 и NSP2 под контролем конститутивных промоторов приводила к снижению числа побегов, длины метёлки и урожайности зерна, сверхэкспрессия этих генов под контролем их собственных промоторов обеспечивала умеренное повышение биосинтеза строголактонов и увеличение поглощения фосфора в условиях его дефицита. Растения NSP1p:NSP1 и NSP2p:NSP2 показали увеличение поглощения азота, числа побегов, длины метёлки, биомассы и урожайности зерна с растения в условиях низкого и среднего содержания фосфора.

Таким образом, исследователи раскрыли регуляторные механизмы биосинтеза строголактонов и роль их сигнализации в адаптации к условиям низкого фосфора. Это исследование предоставляет генетические ресурсы и эффективные стратегии для улучшения архитектуры риса и эффективности использования питательных веществ в условиях дефицита фосфора, а также закладывает прочную основу для молекулярного дизайна и селекции высокоурожайных и высокоэффективных сельскохозяйственных культур.