Ученые определили генетические особенности бобовых, которые контролируют производство молекулы, переносящей кислород, что имеет решающее значение для тесных взаимоотношений растения с азотфиксирующими бактериями. Открытие дает возможность «помочь» другим растениям производить аммиак из бактерий. Так можно будет меньше использовать для сельскохозяйственных культур синтетические удобрения, которые могут неблагоприятно влиять на окружающую среду и на здоровье человека, или не использовать их совсем, сообщает пресс-служба John Innes Centre. Подробнее открытие описано в журнале Science.
В корневых клубнях бобовых растений обитают симбиотические бактерии. Эти бактерии могут связывать азот из воздуха, превращая его в аммиак – основное питательное вещество для растений. В свою очередь, растения снабжают эти бактерии сахаром и кислородом. Количество кислорода должно быть правильным, чтобы поддерживать симбиоз, бактериям нужен кислород для подпитки их химических реакций, но слишком много кислорода подавляет ключевой фермент, который превращает азот в воздухе в аммиак, необходимый растениям.
Решает этот «кислородный спор» у бобовых растений молекула леггемоглобина. Подобно гемоглобину, который переносит кислород в нашей крови, леггемоглобин связывается с кислородом. Он также красный – и придает клубенькам бобовых розовый цвет. До сих пор было неясно, как растения контролируют, сколько этой молекулы вырабатывается.
В этом исследовании ученые определили два фактора транскрипции, которые контролируют, сколько производить леггемоглобина. Используя модельное растение бобовых – люцерну усеченную (Medicago truncatula), – они изучили семейство белков в растениях, у которых есть несколько членов, участвующих в клубеньке. Они изучили, какие белки этого класса продуцируются в клубеньках, и обнаружили, что, когда неактивны два фактора транскрипции – NIN и NLP2, – азотфиксация снижается.
Для дальнейшего исследования ученые выращивали растения в воздушной среде без почвы (такой процесс называется аэропоникой). Они обнаружили, что растения без NIN и NLP2 были меньше по размеру и имели более мелкие и менее розовые клубеньки. При ближайшем рассмотрении у них был более низкий уровень леггемоглобина. Дальнейшие эксперименты показали, что NIN и NLP2 напрямую активируют экспрессию генов леггемоглобина.
«Это дает ключевое представление о том, как бобовые растения создают микроаэробную среду, необходимую для фиксации азота. Эти знания могут быть полезны для улучшения азотфиксации в бобовых и необходимы для переноса клубеньков на небобовые культуры», – объясняет автор-корреспондент доктор Джереми Мюррей.
Исследование также позволило понять эволюцию этого важного симбиоза. Выяснилось, что другие члены семейства факторов транскрипции регулируют выработку несимбиотических гемоглобинов, обнаруженных в растениях, которые участвуют в реакции растений на низкий уровень кислорода.
[Фото: JOHN INNES CENTRE]
