Ученые из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл определили ключевой генетический переключатель, который помогает почвенным бактериям, живущим на корнях растений и внутри них, собирать жизненно важные питательные вещества с ограниченным глобальным запасом. Питательное вещество, фосфат, попадает к корням растения, помогая растению увеличить урожайность.
Работа, опубликованная в выпуске журнала Nature от 15 марта, поднимает вопрос о возможности обработки растений пробиотиками и микробами для повышения эффективности использования ими фосфатов. Форма фосфатных растений может достичь своего пика всего за 30 лет, когда предложение не сможет удовлетворить спрос, что может привести к снижению урожайности, поскольку население мира продолжает расти, а глобальное потепление оказывает негативное воздействие на урожай. урожаи, которые могут иметь разрушительные последствия для глобального снабжения продовольствием.
«Мы точно показываем, как ключевой «переключающий белок», PHR1, контролирует реакцию на низкий уровень фосфатов, большой стресс для растения, а также контролирует иммунную систему растения», - сказал Джефф Дэнгл, John N., Заслуженный профессор Коуча и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. «Когда растение испытывает стресс из-за этого важного питательного вещества, оно отключает свою иммунную систему, чтобы сосредоточиться на сборе фосфатов из почвы. По сути, растение устанавливает свои приоритеты на клеточном уровне».
Дангл, который работал с ведущими авторами, исследователями с докторской степенью Габриэлем Кастрильо и Пауло Хосе Перейра Лима Тейшейра, аспирантом Сур Эррера Паредес и аналитиком-исследователем Терезой Ф. Ло нашел доказательства того, что почвенные бактерии могут использовать этот компромисс между поиском питательных веществ и иммунной защитой, потенциально помогая установить симбиотические отношения с растениями. Бактерии, по-видимому, усиливают эту реакцию на фосфатный стресс, отчасти просто конкурируя за фосфаты, но также активно «приказывая» растению включить свою реакцию на фосфатный стресс.
В недавних исследованиях биологии растений были обнаружены намеки на связь между уровнями фосфатов в растениях и активностью иммунной системы - зависимостью, которой могут манипулировать некоторые микробы. В новом исследовании Дангл и его коллеги более глубоко изучили эту взаимосвязь, используя мутантные версии Arabidopsis thaliana, сорняка, который долгое время был стандартной «лабораторной крысой» в исследованиях биологии растений.
В ходе одного из экспериментов команда Дэнгла обнаружила, что растения арабидопсиса с мутантными версиями гена PHR1 не только имеют нарушенную реакцию на фосфатный стресс, но также формируют различные сообщества микробов внутри и вокруг своих корней при выращивании в местной аборигенной Северной Каролине. почвы. Это имело место даже в среде с обильным содержанием фосфатов, где конкуренция фосфатов не была бы фактором, намекая на то, что в растениях происходит что-то еще, что вызывает рост различных микробных сообществ. Аналогичные результаты исследователи получили при изучении PHL1, белка, тесно связанного с PHR1, с аналогичными, но более слабыми функциями.
В другом эксперименте, в лабораторных условиях, исследователи колонизировали корни стерильно выращенных нормальных растений арабидопсиса набором из 35 видов бактерий, выделенных из корней растений, выращенных ранее в той же природной почве. У этих повторно колонизированных растений реакция на фосфатный стресс усиливалась при воздействии условий с низким содержанием фосфатов.
Исследуя дальше, команда показала, что PHR1 - и, вероятно, в меньшей степени PHL1 - не только активирует реакцию на фосфатный стресс, но также запускает паттерн экспрессии генов, который снижает иммунную активность и, таким образом, облегчает жизнь резидентным микробам. чтобы выжить.
Полученные данные свидетельствуют о том, что обитающие в почве микробы научились ладить со своими растениями-хозяевами, по крайней мере частично, путем активации PHR1/PHL1 для подавления иммунных реакций на них. Команда Дангла также считает, что эти микробы могут быть даже необходимы растениям, чтобы нормально реагировать на условия с низким содержанием фосфатов. Таким образом, можно было бы использовать эту взаимосвязь - с помощью пробиотиков или связанных с ними обработок растений - чтобы позволить растениям обходиться меньшим количеством фосфатов.
«Фосфаты - это ограниченный ресурс, и мы используем его не очень эффективно», - сказал Дангл, который также является адъюнкт-профессором микробиологии и иммунологии в Медицинской школе Университета Северной Каролины. «В составе удобрений фосфаты попадают в водные пути, где могут негативно повлиять на речные и морские экосистемы. Было бы лучше, если бы мы могли использовать фосфат более эффективно».