Новое поколение биосенсора раскрывает критическую роль гиббереллина в азотфиксации бобовых

Исследователи из Кембриджского университета доказали, что растительный гормон гиббереллин (GA) необходим для формирования и созревания азотфиксирующих клубеньков на корнях бобовых и может увеличивать их размер. Они определили конкретное время и место, где GA управляет инициацией, ростом и функцией клубеньков. Эти находки помогают примирить противоречивые данные о том, что GA одновременно и подавляет, и требуется для нодуляции, точно указывая зоны, где GA необходим.

Зерновые культуры, такие как пшеница, кукуруза и рис, требуют много азота и сильно зависят от синтетических удобрений. Однако производство таких удобрений требует огромных затрат энергии, они дороги для фермеров и наносят вред окружающей среде.

В отличие от злаков, бобовые (горох, фасоль, чечевица) могут получать азот естественным путём благодаря симбиозу с азотфиксирующими бактериями, формируя специальные органы — клубеньки. Эта способность также приводит к более высокому содержанию белка в бобовых культурах.

Однако бобовые перестают формировать клубеньки, когда в почве относительно высокие концентрации азота, что потенциально ограничивает их урожайность.

В исследовании, опубликованном в The Plant Cell, группы доктора Александра Джонса и профессора Гайлза Олдройда сделали крупный шаг к цели, раскрыв динамику GA, которая управляет развитием, морфологией и функцией азотфиксирующих клубеньков.

Доктор Джонс отметил противоречия в данных: «Эксперименты показывали, что добавление GA снижает нодуляцию у Medicago truncatula, что говорит об антагонистической роли GA. Но есть мутант гороха, который производит меньше GA и имеет меньше клубеньков, что, наоборот, указывает на необходимость GA для нодуляции».

Используя высокочувствительный биосенсор нового поколения nlsGIBBERELLIN PERCEPTION SENSOR 2 (GPS2), доктор Коллин Дрейпек смогла визуализировать, где, когда и в каких относительных концентрациях присутствует GA. Она обнаружила накопление GA в зачатке клубенька (primordium) у Medicago, заражённой ризобиями.

Доктор Дрейпек сказала: «В самом начале формирования клубенька вы видите накопление GA в зачатке, но очень мало GA в других частях корня. По мере развития клубенька GA накапливается в довольно высоких концентрациях и остаётся на высоком уровне в зрелом клубеньке».

Доктор Дрейпек использовала мутанты Medicago, чтобы проверить функцию GA, направленно изменяя экспрессию ферментов, которые разрушают или синтезируют GA. В первом случае клубеньки не формировались, во втором — формировались более крупные клубеньки.

Она добавляет: «Это показывает, что GA очень важен для клубеньков, но его функция специфична для зон, где клубенёк инициируется, а не для окружающих областей. Мы знаем, что низкий уровень GA полезен для начального заражения корней ризобиями, но позже GA должен присутствовать, чтобы процесс нодуляции продолжался и клубеньки созревали».

Профессор Олдройд сказал: «Эти новейшие данные показывают, что накопление GA в корне уникально для развития клубеньков и, вероятно, является критическим переключателем для их специфического развития. Это важнейшие знания для наших попыток перенести азотфиксацию на другие культуры, такие как маниока и злаки».