Ученые обнаружили генетику внутри бобовых, которая контролирует производство молекулы, переносящей кислород, что имеет решающее значение для тесных отношений растения с азотфиксирующими бактериями.
Это открытие дает возможность дать другим растениям возможность производить аммиак из бактерий, уменьшая потребность в зависимой от ископаемого топлива и загрязняющей окружающую среду практике применения синтетических удобрений для сельскохозяйственных культур.
Корни бобовых растений являются домом для симбиотических бактерий. Эти бактерии могут фиксировать азот из воздуха, превращая его в аммиак, ключевое питательное вещество для растений.
В свою очередь, растения содержат бактерии в корневых клубеньках, обеспечивая их сахарами и кислородом. Количество кислорода должно быть достаточным для поддержания симбиоза, бактериям нужен кислород для подпитки их химических реакций, но слишком большое количество кислорода подавляет ключевой фермент, который превращает азот в воздухе в аммиак, который может быть использован растением.
Растворение этого «кислородного парадокса биологической фиксации азота» представляет собой молекулу под названием леггемоглобин. Подобно гемоглобину, который переносит кислород в нашей крови, леггемоглобин связывается с кислородом и имеет красный цвет; он придает клубенькам бобовых розовый цвет. До сих пор было неясно, как растения контролируют количество производимой этой молекулы.
Исследовательская группа определила два фактора транскрипции, которые контролируют количество леггемоглобина, вырабатываемого в клубеньках бобовых.
"Это дает ключевое представление о том, как бобовые растения создают микроаэробную среду, необходимую для фиксации азота. Эти знания могут быть полезны для улучшения фиксации азота у бобовых и будут необходимы для переноса клубеньков на небобовые культуры., "объясняет автор-корреспондент д-р Джереми Мюррей, руководитель группы CEPAMS.
Д-р Джереми Мюррей продолжает: «Хотя было идентифицировано множество генов, участвующих в других процессах образования клубеньков, это первый прорыв в сети регуляции генов, непосредственно контролирующей фиксацию азота».
Исследование было проведено совместной группой под руководством доктора Сую Цзян в группе доктора Джереми Мюррея в Центре передового опыта CAS-JIC в области изучения растений и микробов (CEPAMS), Центре передового опыта в области молекулярных наук о растениях. (CEMPS), Китайская академия наук, Шанхай, Китай, в сотрудничестве с доктором Паскалем Гамасом и доктором Мари-Франсуаз Жардино из LIPME (Университет Тулузы, Франция).
Используя модель бобовых, Medicago truncatula, исследовательская группа изучила семейство белков в растениях, несколько членов которого играют роль в образовании клубеньков. Они посмотрели, какие белки этого класса продуцируются в симбиозных клубеньках, и обнаружили, что их два - NIN и NLP2, и что когда они неактивны, фиксация азота снижается. Это говорит о том, что они участвуют в фиксации азота.
Для дальнейшего исследования они выращивали растения в аэропонной системе без почвы, чтобы иметь возможность смотреть на узелки, и обнаружили, что растения, лишенные NIN и NLP2, были меньше по размеру и имели меньшие и менее розовые узелки. При ближайшем рассмотрении у них был более низкий уровень леггемоглобина. Дальнейшие эксперименты показали, что NIN и NLP2 напрямую активируют экспрессию генов леггемоглобина.
Этот исследовательский проект был основан исключительно на любопытстве, все, что мы знали с самого начала, это то, что фактор транскрипции, который мы изучали, сильно и специфически экспрессировался в азотфиксирующих клетках, мы изначально не знали о какой-либо связи с легоглобинами., - размышляет доктор Мюррей.
Исследование также дало представление об эволюции этого важного симбиоза. Они обнаружили, что другие члены семейства факторов транскрипции регулируют выработку несимбиотических гемоглобинов, обнаруженных в растениях, которые участвуют в реакции растений на низкий уровень кислорода.
Джереми далее объясняет: «Это было захватывающе, потому что предполагает, что эти факторы транскрипции и их мишени гемоглобина были задействованы в клубеньках как модули, помогающие улучшить энергетику азотфиксирующих клеток, что дает редкое представление о том, как развивался этот симбиоз."