Новый ген растений может повысить усвоение фосфора

Исследователи из Копенгагенского университета обнаружили важный ген у растений, который может помочь сельскохозяйственным культурам лучше взаимодействовать с подземными грибами. Это обеспечивает растения более широкой корневой сетью и помогает им поглощать фосфор. Открытие может повысить эффективность сельского хозяйства и принести пользу окружающей среде.

Около 70% фосфорных удобрений, используемых в датском сельском хозяйстве, накапливается в почве, и только 30% достигает растений.

Большинство растений образуют симбиотическое сообщество с микоризными грибами. Растения позволяют грибам жить среди своих корней, снабжая их жирами и сахарами. Взамен грибы используют свои обширные гифы для поглощения из почвы жизненно важных питательных веществ для растений, включая важный минерал — фосфор.

Исследователи обнаружили у растений особый ген CLE53, который регулирует это сотрудничество. Ген является центральным для механизма, контролирующего восприимчивость растений к взаимодействию с микоризными грибами. Это знание в перспективе может привести к улучшению урожаев и сокращению использования удобрений.

«Подобные гены есть у всех растений, включая сельскохозяйственные культуры. Поэтому, если мутировать или "выключить" ген CLE53 у культурного растения, оно с большей вероятностью вступит в симбиоз с грибом. Это позволит снизить потребность в фосфорных удобрениях, так как растения станут лучше поглощать уже существующий в почве фосфор», — объясняет доцент Томас Кристиан де Банг.

Исследование опубликовано в Journal of Experimental Botany.

70% фосфорных удобрений не достигает растений

Фосфор жизненно важен для всех растений. Однако в сельском хозяйстве применяется больше фосфора, чем могут поглотить культуры. Около 70% фосфорных удобрений в Дании накапливается в почве, и только 30% достигает растений. С дождями существует постоянный риск, что часть накопленного фосфора будет смыта в ручьи, озёра и море.

Парадоксально, но при высоком уровне фосфора в почве растения менее склонны к сотрудничеству с грибами, а значит, хуже поглощают питательные вещества.

«Мы продемонстрировали, что растение не производит ген CLE53, если ему не хватает фосфора. Однако когда уровень фосфора в растении высок или оно уже вступило в симбиоз с грибом, уровень CLE53 увеличивается. Наше исследование показывает, что CLE53 негативно влияет на способность растения вступать в симбиоз с грибом и, следовательно, наиболее эффективно поглощать фосфор», — говорит Томас Кристиан де Банг.

Требуется одобрение CRISPR

Геномное редактирование растений легально в ряде стран, не входящих в ЕС, например, в Китае, США, Швейцарии и Великобритании. Однако в ЕС нет общего принятия методов редактирования генов, таких как CRISPR, для изменения растений и пищевых продуктов.

Поэтому открытие исследователей пока имеет мало шансов на применение в Дании и остальном ЕС.

«Эту технологию можно использовать в других частях мира, и начать было бы относительно просто. Я полагаю, что в течение пяти лет растения будут протестированы и усовершенствованы таким образом, чтобы они активнее вступали в симбиоз с грибами и поглощали больше фосфора. Здесь, в Дании и во всём ЕС, необходимо принятие редактирования генов и изменение подхода к процедурам одобрения для таких растений», — отмечает де Банг.

Факты:

• 90% всех растений вступают в симбиотические отношения с микоризными грибами, которые, образно говоря, расширяют корневую сеть растений, помогая им получать достаточно фосфора, воды и других питательных веществ.
• Чтобы получить пользу от способности грибов извлекать фосфор из почвы, растение должно снабжать их жирами и сахарами. Чтобы избежать чрезмерных энергозатрат на симбионта, например, при высоком уровне фосфора или если гриб уже колонизировал растение, оно может отключить симбиоз.
• По оценкам, датские фермы вносят примерно 30 кг фосфора на гектар земли.
• Из этого количества около 30% попадает в культуры, а остальные 70% связываются с почвой.
• С дождями часть этого накопленного фосфора смывается в близлежащие ручьи, озёра и море. Это увеличивает рост водорослей и может погубить растения и дикую природу.
• Фосфор — это конечный природный ресурс, запасы которого, как ожидается, со временем истощатся.

Исследование финансируется Фондом Ново Нордиск и Копенгагенским университетом.

Ранее было показано, что аналогичный механизм существует для симбиоза между бобовыми и бактериями rhizobium. В этом также был задействован ген CLE, но другой, чем обнаруженный сейчас.