Исследователи из Копенгагенского университета обнаружили в растениях важный ген, который может помочь сельскохозяйственным культурам лучше сотрудничать с подземными грибами, обеспечивая им более широкую корневую сеть и помогая им поглощать фосфор. Открытие может повысить эффективность сельского хозяйства и принести пользу окружающей среде.
Подсчитано, что около 70 процентов фосфорных удобрений, используемых в сельском хозяйстве Дании, накапливается в почве, тогда как только 30 процентов из них достигают растений.
Quid pro quo - так можно описать «пищевое сообщество», которое большинство растений имеет с микоризными грибами. Растения позволяют грибам жить среди своих корней, питая их жиром и сахаром. В свою очередь, грибы используют свои далеко идущие гифы (нитевидные ответвления) для захвата жизненно важных питательных веществ почвы для растений, в том числе важного минерального фосфора..
Теперь исследователи из факультета наук о растениях и окружающей среде Копенгагенского университета обнаружили необычный ген растений, ген CLE53, который регулирует сотрудничество между грибами и растениями. Этот ген занимает центральное место в механизме, контролирующем восприимчивость растений к работе с микоризными грибами. В будущем эти новообретенные знания могут помочь повысить урожайность и сократить использование удобрений.
Подобные гены есть во всех растениях, в том числе и в сельскохозяйственных культурах. Таким образом, путем мутации или отключения гена CLE53 в культурном растении повышается вероятность того, что растение станет симбиотически вовлеченным в грибок. При этом таким образом, становится возможным снизить потребность в фосфорных удобрениях, поскольку растения лучше поглощают ранее существовавший фосфор из почвы», - объясняет доцент Томас Кристиан де Банг из Департамента наук о растениях и окружающей среде.
Исследование опубликовано в Journal of Experimental Botany
Семьдесят процентов фосфорных удобрений не доходят до растений
Фосфор жизненно важен для всех растений. Однако проблема с использованием фосфора в сельском хозяйстве заключается в том, что больше его применяется для удобрения, чем может быть поглощено сельскохозяйственными культурами. Подсчитано, что около 70 процентов фосфорных удобрений, используемых в сельском хозяйстве Дании, накапливается в почве, тогда как только 30 процентов из них достигают растений. Во время дождя постоянно существует риск того, что часть накопленного фосфора попадет в ручьи, озера и море.
Как это ни парадоксально, исследователи заметили, что при высоком уровне фосфора в почве растения с меньшей вероятностью взаимодействуют с грибами, а это означает, что они хуже усваивают питательные вещества.
В ходе ряда экспериментов мы продемонстрировали, что растение не производит ген CLE53, если ему не хватает фосфора. Однако, когда уровни фосфора в растении высоки или если растение уже симбиотически связано с грибком, уровень CLE53 увеличивается. Наше исследование демонстрирует, что CLE53 негативно влияет на способность растения вступать в симбиоз с грибком и тем самым наиболее эффективно поглощать фосфор», - говорит Томас Кристиан де Банг.
Требуется одобрение CRISPR
Редактирование генома растений является законным в ряде стран, не входящих в ЕС, например, в Китае, США, Швейцарии и Великобритании. Однако в ЕС не существует общепринятых методов редактирования генов, таких как CRISPR, для изменения растений и продуктов питания.
Поэтому у открытия исследователей на данный момент меньше шансов быть использованным в Дании и остальной части ЕС.
Технологию можно использовать в других частях мира, и начать работу будет относительно просто. Я предполагаю, что в течение пяти лет растения будут протестированы и усовершенствованы таким образом, что они станут более симбиотически вовлеченными. с грибками и поглощают больше фосфора. Здесь, в Дании, и во всем ЕС требуется разрешение на редактирование генов и измененный подход к процедурам утверждения для этих типов растений», - говорит Томас Кристиан де Банг.
Факты:
90% всех растений вступают в симбиотические отношения с микоризными грибами, которые, как говорят в народе, расширяют корневую сеть растений, тем самым помогая им получать достаточное количество фосфора, воды и других питательных веществ.
Чтобы воспользоваться способностью микоризных грибов извлекать фосфор из почвы, растение должно питать его жиром и сахаром. Чтобы не тратить слишком много энергии на губку, если, например, в ней высокий уровень фосфора или она уже заселена грибком, растение может отключить симбиоз.
Подсчитано, что датские фермы вносят примерно 30 кг фосфора на гектар земли.
Из них примерно 30 процентов попадает в сельскохозяйственные культуры, а остальные 70 процентов связываются с почвой.
Во время дождя часть накопленного фосфора смывается поверхностными стоками в близлежащие ручьи, озера и море. Это увеличивает рост водорослей и может убить как растения, так и диких животных.
Фосфор - это ограниченный природный ресурс, который, как ожидается, в конечном итоге будет исчерпан.
Исследование финансируется Фондом Ново Нордиск и Копенгагенским университетом
Предыдущие исследования показали, что аналогичный механизм существует для симбиоза между бобовыми и ризобиальными бактериями. Это также затронуло ген CLE, хотя и отличающийся от того, который обнаружили исследователи.