Исследователи из Орхусского университета обнаружили молекулярный переключатель, который позволяет растениям вступать в симбиоз с азотфиксирующими бактериями, а не бороться с ними. Это открытие может стать шагом к созданию злаковых культур, способных самостоятельно обеспечивать себя азотом, что снизит зависимость сельского хозяйства от искусственных удобрений.

«Мы приблизились к более экологичному и благоприятному для климата производству продуктов питания», — отмечают авторы исследования, профессора молекулярной биологии Каспер Рёйкьер Андерсен и Симона Радутойу.

Почему растениям нужен азот

Азот необходим растениям для роста, однако большинство сельскохозяйственных культур могут получать его только из удобрений. Лишь немногие растения, такие как горох, клевер и бобы, способны обходиться без дополнительного азота благодаря симбиозу с определёнными бактериями, которые превращают атмосферный азот в форму, усваиваемую растениями.

Раскрытие механизмов естественной фиксации азота

Учёные по всему миру стремятся понять генетические и молекулярные основы этой способности. Если удастся внедрить такие механизмы в основные продовольственные культуры — пшеницу, ячмень, кукурузу, — они смогут самостоятельно обеспечивать себя азотом. Это позволит значительно сократить использование синтетических удобрений, производство которых требует около 2% мирового энергопотребления и сопровождается значительными выбросами CO₂.

Как растения выбирают между защитой и сотрудничеством

Растения используют рецепторы на поверхности клеток для распознавания химических сигналов от микроорганизмов в почве. Некоторые бактерии выделяют соединения, вызывающие у растения защитную реакцию, другие — сигнализируют о возможности сотрудничества и обмена питательными веществами.

Бобовые, такие как горох, фасоль и клевер, позволяют специализированным бактериям проникать в корни. Внутри корневых тканей бактерии превращают атмосферный азот и делятся им с растением. Такой симбиоз позволяет бобовым расти без искусственных удобрений.

Ключевая роль двух аминокислот

Исследователи из Орхусского университета выяснили, что способность к симбиозу определяется всего двумя аминокислотами в белке-рецепторе корня. Этот белок определяет, активировать ли иммунную систему (защиту) или принять бактерии (симбиоз). Команда выделила участок белка, названный Symbiosis Determinant 1, который работает как переключатель, контролирующий внутренние сигналы растения.

Изменив всего две аминокислоты в этом участке, учёные смогли превратить рецептор, обычно запускающий иммунитет, в тот, что инициирует симбиоз с азотфиксирующими бактериями.

«Мы показали, что два небольших изменения могут заставить растение изменить поведение — от отторжения бактерий к сотрудничеству с ними», — объясняет Симона Радутойу.

Перспективы для основных культур

В лабораторных экспериментах исследователи успешно внедрили это изменение в растение Lotus japonicus, а затем протестировали концепцию на ячмене — и механизм сработал и там.

«Удивительно, что теперь мы можем взять рецептор из ячменя, внести в него небольшие изменения, и фиксация азота снова работает», — говорит Каспер Рёйкьер Андерсен.

Долгосрочный потенциал значителен: если такие модификации удастся применить к другим злакам, в будущем можно будет вывести пшеницу, кукурузу или рис, способные самостоятельно фиксировать азот, как бобовые.

«Однако нам ещё предстоит найти другие необходимые ключи», — отмечает Радутойу.

«Сегодня лишь немногие культуры способны к симбиозу. Если мы сможем распространить это свойство на широко используемые культуры, это действительно может существенно повлиять на объёмы используемого азота», — подытоживают исследователи.