Бобовые - это широко потребляемое семейство растений, которые служат важным источником диетического белка, клетчатки и других необходимых питательных веществ. Они получают азот посредством специального процесса, известного как нодуляция, симбиотического партнерства, при котором почвенные бактерии заражают корень растения, образуют клубеньки, похожие на луковицы, и превращают азот в удобную для растений форму. Понимание того, как регулируется образование клубеньков, может помочь природоохранным мероприятиям по повышению продуктивности бобовых культур и снижению потребности в химических удобрениях.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, исследователи из Университета Цукубы определили ключевой генетический путь бобовых растений Lotus japonicus, который контролирует образование клубеньков в ответ на уровень азота в почве.
Азот является важным элементом для всех живых организмов, поскольку он используется для создания органических строительных блоков жизни: ДНК, РНК и белка. Для бобовых получение (или «фиксация») азота через клубеньки обходится дорого, потому что растению необходимо расходовать энергию и ресурсы для поддержания бактерий. Из-за этого компромисса бобовые должны поддерживать точно настроенный баланс образования клубеньков.
«Корневые клубеньки образуются в ответ на низкий уровень в почве фиксированных молекул азота, таких как нитраты», - объясняет ведущий автор Ханна Нисида. «Когда концентрация нитратов в почве увеличивается, бобовые могут отреагировать, препятствуя образованию клубеньков. Однако механизм этой реакции был неизвестен, поэтому наша цель состояла в том, чтобы точно определить, как у этих растений происходит зависимая от нитратов регуляция».
Исследовательская группа провела генетический скрининг, химически мутировав гены L. japonicus и отыскав мутации, которые сделали клубеньки нечувствительными к нитратам. Они обнаружили ген, который они назвали симбиозом 1, не реагирующим на нитраты (NRSYM1), который при мутации заставляет бобовые продолжать образовывать новые клубеньки, даже когда нитраты находятся в почве. Кроме того, они обнаружили, что та же мутация нарушает регуляцию клубеньков в нескольких других ключевых контрольных точках - у растений с дефицитом NRSYM1 нитраты больше не могут препятствовать росту существующих клубеньков, мешать клубенькам фиксировать азот или предотвращать заражение корней бактериями. первое место.
Подтвердив важную роль NRSYM1, команда решила выяснить, как он оказывает многочисленные эффекты на нодуляцию. Они определили, что NRSYM1 кодирует транскрипционный фактор - белок, который в присутствии нитратов напрямую активирует другой ген, останавливающий образование новых клубеньков. Хотя связь между NRSYM1 и другими контрольными точками до сих пор неясна, исследователи считают, что их исследование закладывает основу для будущих открытий.
«Контроль нодуляции корней - сложный процесс, вероятно, включающий несколько сигнальных путей», - отмечает соответствующий автор Такуя Судзаки. «Наш вывод о том, что NRSYM1 является чувствительным к нитратам регулятором экспрессии генов, важен, поскольку он открывает двери для поиска других генетических мишеней, регулируемых этим фактором. Мы рассматриваем это как значительный шаг вперед в понимании того, как бобовые реагируют на почвенный азот, и мы надеемся, что это поможет информировать селекционные программы и усилия генной инженерии, направленные на повышение эффективности сельскохозяйственных культур».