Открытие генов растений может помочь снизить загрязнение водоемов удобрениями
Избыточное удобрение сельскохозяйственных полей — серьёзная экологическая проблема. Излишки фосфора с обработанных земель часто попадают в реки и озёра. Это вызывает бурный рост водных растений, что может привести к резкому падению уровня кислорода в воде, гибели рыбы и другим негативным последствиям.
Исследователи из Boyce Thompson Institute обнаружили функцию пары генов растений, которая может помочь фермерам улучшить усвоение фосфатов, потенциально снизив экологический ущерб от удобрений.
Работа была опубликована в Nature Plants 2 сентября.
Открытие связано с исследованиями Марии Харрисон, посвящёнными симбиотическим отношениям растений с арбускулярными микоризными (AM) грибами. Харрисон — профессор William H. Crocker в BTI и адъюнкт-профессор в Школе интегративной науки о растениях Корнеллского университета.
AM-грибы колонизируют корни растений, создавая интерфейс, где растение обменивает жирные кислоты на фосфат и азот. Грибы также могут помочь растениям восстановиться после стрессовых условий, например, засухи.
Однако снабжение AM-грибов жирными кислотами требует затрат, поэтому растения не позволяют колонизации выходить из-под контроля.
Чтобы выяснить, как растения контролируют уровень грибной колонизации, Харрисон и постдок её лаборатории Лена Мюллер изучили гены, кодирующие короткие белки — CLE-пептиды — у растений Medicago truncatula и Brachypodium distachyon.
CLE-пептиды участвуют в клеточном развитии и реакции на стресс и присутствуют во всём царстве растений — от зелёных водорослей до цветковых.
Исследователи обнаружили, что два таких гена являются ключевыми регуляторами симбиоза с AM-грибами. Один ген, CLE53, снижает уровень колонизации после того, как корни уже заселены. Другой ген, CLE33, снижает колонизацию, когда растению доступно достаточно фосфата.
«Возможность контролировать уровень грибной колонизации в корнях растений и поддерживать симбиоз даже в условиях высокого содержания фосфата может быть полезной для фермера, — сказала Харрисон. — Например, вам могут быть нужны другие полезные эффекты AM-грибов, такие как поглощение азота, восстановление после засухи, а также дополнительное поглощение фосфата».
«Этих преимуществ можно было бы достичь, изменяя уровни этих CLE-пептидов в растениях», — добавила она.
Мюллер выяснила, что CLE-пептиды действуют через рецепторный белок SUNN. В сотрудничестве с Харро Боумэстером и Кристиной Флоковой из Амстердамского университета она обнаружила, что два CLE-пептида модулируют синтез растением соединения под названием строголактон.
Корни растений выделяют строголактон в почву, и это соединение стимулирует рост AM-грибов и колонизацию корня. Как только корни колонизированы или доступно много фосфата, гены CLE подавляют синтез строголактона, тем самым уменьшая дальнейшую колонизацию грибами.
«В начале 2000-х исследователи обнаружили, что у растений есть способ измерять и затем снижать колонизацию, — сказала Мюллер. — Но до сих пор никто по-настоящему не понимал молекулярный механизм этой динамики».
Следующие шаги исследователей будут включать выявление молекул, которые активируют гены CLE в ответ на колонизацию и высокий уровень фосфата.
Мюллер также планирует сравнить два CLE-пептида из этого исследования с другими CLE-пептидами, выполняющими иные функции.
«CLE-пептиды все так похожи, но у них совершенно разные функции, — отметила Мюллер. — Будет очень интересно понять, почему так».