Как сидячие организмы, растения полагаются на свою способность адаптировать развитие и рост своих корней в ответ на изменение условий питания. Одной из таких реакций, которую, как известно, демонстрируют растения, выращенные в условиях низкого содержания азота, является удлинение первичных и боковых корней для исследования окружающей почвы. Эта адаптация к недостатку основного элемента азота представляет особый интерес, поскольку отражает «стратегию поиска пищи», с помощью которой корневая система может использовать питательные вещества из большего объема почвы. До недавнего времени это была наименее изученная реакция корней, зависящая от азота. Ученые из IPK в Гатерслебене теперь идентифицировали гормональный путь, регулирующий поиск корней в условиях низкого содержания азота, и сигнальный компонент, который модулирует интенсивность этой реакции. Эти результаты открывают возможность селекции культур с корневой системой, обеспечивающей более эффективное поглощение азота.
Количество и форма доступных для растений питательных веществ колеблется в почвах, например, в зависимости от влажности почвы или микробных процессов трансформации питательных веществ. Растения чувствуют изменения в своем пищевом статусе и реагируют на них, адаптируя рост и развитие своих корней. Эти реакции выражаются в изменении степени ветвления, удлинения, размещения и направления роста отдельных частей корневой системы. Азот является важным минеральным элементом и питательным веществом для растений. Когда доступность азота низкая, корни растений преимущественно прорастают в участки почвы, обогащенные азотом, локально расширяя свои боковые корни. Как только растения сталкиваются с дефицитом азота, они немедленно вызывают реакцию поиска пищи, при которой корни удлиняются, чтобы исследовать больший объем почвы. Регуляторные механизмы, лежащие в основе этой азотзависимой реакции корней, ранее были неизвестны. Исследователи из IPK в Гатерслебене обнаружили, что класс стероидных гормонов модулирует поиск пищи корнями в условиях низкого содержания азота и тем самым определяет степень этой реакции. Результаты были опубликованы в Nature Communications..
В этом исследовании ученые из исследовательской группы «Молекулярное питание растений» под руководством профессора Н. фон Вирен оценили естественные изменения в росте корней при умеренном дефиците азота у 200 образцов модельного растения Arabidopsis thaliana. Используя полногеномное картирование ассоциаций при поддержке группы «Heterosis» во главе с профессором Т. Альтманном, исследователи смогли показать, что BSK3, брассиностероидная сигнальная киназа, модулирует степень удлинения корней в условиях низкого содержания азота. Кроме того, они продемонстрировали, что умеренный дефицит азота активирует передачу сигналов брассиностероидов за счет повышения уровней транскриптов корецептора брассиностероидов BAK1, что повышает чувствительность клеток корней к брассиностероидам.
Результаты показывают ранее неизвестную роль растительных гормонов брассиностероидного типа в формировании корневой системы в ответ на дефицит питательных веществ. Это новое понимание позволяет глубже понять регуляцию адаптивных реакций растений на изменения доступности азота, а также открывает перспективы для практического применения в сельском хозяйстве.
Являясь «главным двигателем роста растений», азот является незаменимым элементом в производстве сельскохозяйственных растений. Однако азотные удобрения следует использовать с осторожностью, так как избыток азота в почве может оказать пагубное воздействие на окружающую среду, например, приводя к закислению почвы или к эвтрофикации водоемов. Поэтому очень желательно выращивать культуры, которые лучше используют почву для получения питательных веществ, поскольку для них может потребоваться меньше удобрений. Исследователи этого исследования видят в своем открытии регуляторной роли BSK3 новую возможность подойти к этому вопросу. Используя встречающиеся в природе аллельные версии BSK3 или генерируя варианты de novo путем точного редактирования генома, селекционеры могут вывести новые сорта сельскохозяйственных культур с более крупной корневой системой, предоставив видам сельскохозяйственных культур востребованные механизмы для лучшей работы при низком внесении азотных удобрений..