Выделения кластерных корней хакеи подушкообразной повышают усвоение фосфора в бедных питательными веществами почвах

Растениям необходим фосфор для роста и выживания. В условиях низкого содержания доступного фосфора в почве растениям приходится адаптироваться.

Хакея подушкообразная (Hakea laurina) — крупный древесный вечнозеленый кустарник, произрастающий на юго-западе Австралии, где уровень доступного почвенного фосфора крайне низок. Растение адаптировалось к этим условиям, формируя кластерные корни — множество мелких корешков, отходящих от оси корня и напоминающих ёршик для мытья бутылок, — чтобы извлекать скудное количество фосфора из почвы.

Кластерные корни помогают растениям в бедных почвах, увеличивая площадь поверхности корня, контактирующей с почвой, и улучшая способность извлекать ограниченные ресурсы. Кроме того, они выделяют химические вещества и ферменты для повышения биодоступности питательных веществ, в первую очередь фосфора.

Например, фермент кислая фосфатаза, выделяемый кластерными корнями, преобразует органический фосфор в форму, легко усваиваемую растениями. Лучшее понимание этих механизмов выживания может помочь в создании сельскохозяйственных культур, способных расти на бедных почвах.

Хотя многие химические вещества, выделяемые кластерными корнями для повышения доступности фосфора, уже известны, гены и молекулярные пути, ответственные за секрецию и поглощение в семействе растений Proteaceae (включая хакею), идентифицированы не были.

Чтобы лучше понять, как кластерные корни функционируют на молекулярном уровне, международная группа исследователей провела эксперимент RNA-Seq на хакее подушкообразной, чтобы определить гены, экспрессируемые в её кластерных корнях. Результаты опубликованы в журнале New Phytologist.

Исследователи сравнили гены, экспрессируемые в зрелых кластерных корнях, с генами в соседних боковых корнях (контроль). Это выявило 4 210 генов, экспрессируемых на более высоком уровне в кластерных корнях, что дало множество кандидатов, связанных с повышенной секрецией и поглощением.

Среди них были фосфатные транспортеры и гены кислых фосфатаз. Анализ путей KEGG также показал, что в кластерных корнях усилен метаболизм карбоксилатов, что должно поддерживать увеличение выработки карбоксилатов малата и цитрата для выделения в почву.

Одним из высокоэкспрессируемых генов оказался ген белка алюминий-активируемого малат-транспортера (ALMT), который исследователи обозначили как HalALMT1. Этот белок на 51% идентичен по аминокислотной последовательности белку LaALMT1 белого люпина (Lupinus albus), который секретирует малат в почву, повышая доступность фосфора.

Электрофизиологические анализы и сверхэкспрессия в Arabidopsis thaliana подтвердили, что HalALMT1 опосредует выделение малата в почву. Его активность дополнительно усиливалась в присутствии алюминия, который может быть токсичен для растений в кислой почве. Это говорит о том, что HalALMT1 помогает как мобилизовать фосфор, так и снижать токсичность алюминия за счет секреции малата.

Исследователи также обнаружили уникальную картину экспрессии HalALMT1 в кластерных корнях, что дополнительно способствует выживанию в условиях дефицита фосфора.

Результаты показывают, что клетки коры в корешках кластерных корней Hakea laurina являются местами секреции карбоксилатов и кислой фосфатазы, что потенциально облегчает быстрое выделение экссудатов. Отсутствие суберинизированного экзодермиса (диффузионного барьера) дополнительно усиливает эту черту, открывая новые представления об адаптации растений к дефициту фосфора.

Хотя открытие нового пути секреции в кластерных корнях значительно углубило понимание механизмов выживания растений, остаются и другие вопросы. Исследовательская группа планирует продолжать изучение формирования и функций кластерных корней с целью применения этих знаний для улучшения сельскохозяйственных культур.