Генная мутация в корнях, усиливающая партнёрство с микробами, может сократить использование удобрений

Исследователи обнаружили биологический механизм, который делает корни растений более восприимчивыми к полезным почвенным микробам. Это открытие учёных из John Innes Centre прокладывает путь к более экологичным методам ведения сельского хозяйства, потенциально позволяя фермерам использовать меньше удобрений.

Производство большинства основных сельскохозяйственных культур зависит от азотных и фосфорных удобрений, но их чрезмерное использование вредит окружающей среде. Если бы удалось использовать взаимовыгодные отношения между корнями растений и почвенными микробами для улучшения усвоения питательных веществ, то можно было бы сократить применение неорганических удобрений.

Исследователи из группы доктора Мириам Шарпантье обнаружили мутацию в гене у бобового растения Medicago truncatula, которая перепрограммирует сигнальные возможности растения, усиливая партнёрство с азотфиксирующими бактериями (ризобиями) и арбускулярными микоризными грибами (AMF), которые снабжают корни фосфором.

Этот тип партнёрства, известный как эндосимбиоз (когда один организм существует внутри другого), позволяет бобовым растениям получать питательные вещества из почвы через микробов в обмен на сахара. Препятствием для широкого использования эндосимбиотических партнёрств в сельском хозяйстве является то, что они предпочтительно возникают в бедных питательными веществами почвах, что противоречит условиям интенсивного земледелия.

В этом исследовании, опубликованном в Nature, эксперименты показали, что мутация гена в кальциевой сигнальной системе усиливает эндосимбиоз в условиях сельского хозяйства.

Важно, что команда использовала генетические подходы, чтобы показать, что та же мутация гена у пшеницы также усиливает колонизацию азотфиксирующими бактериями и AMF в полевых условиях. Эти выводы представляют собой важный прорыв в давней амбиции использовать усиленные эндосимбиотические партнёрства в качестве естественной альтернативы неорганическим удобрениям для основных культур, включая злаки и бобовые.

"Наши результаты имеют большой потенциал для развития устойчивого сельского хозяйства. Неожиданно и очень интересно, что идентифицированная нами мутация усиливает эндосимбиоз в условиях земледелия, поскольку это открывает потенциал для устойчивого производства сельскохозяйственных культур с использованием эндосимбионтов наряду со снижением применения неорганических удобрений", — сказала доктор Шарпантье.

"Это открытие вносит широкий вклад в исследования кальциевой сигнализации, а также предлагает переходное решение к более устойчивому производству экономически важных культур".

Предыдущие исследования группы Шарпантье показали, что кальциевая сигнализация в ядрах корневых клеток необходима для установления корневого эндосимбиоза с полезными азотфиксирующими бактериями и AMF.

Данное исследование расшифровывает этот ключевой сигнальный механизм, показывая, как колебания кальция регулируют выработку соединений, называемых флавоноидами, которые усиливают эндосимбиоз.

"Наше открытие подчёркивает важность фундаментальной науки в решении общественных проблем", — заключила доктор Шарпантье.

Корневой эндосимбиоз очень полезен для растений, увеличивая усвоение питательных веществ и устойчивость к стрессу. Существует растущая потребность в создании высокоурожайных, устойчивых к болезням культур и сокращении использования удобрений для защиты окружающей среды, а также снижения затрат для фермеров.

Сочетание устойчивости к болезням и климатической устойчивости с эффективным усвоением питательных веществ за счёт улучшенной ассоциации с симбиотическими микроорганизмами является ключевым элементом этой цели.