Ученые выяснили, как стимулировать симбиоз растений и грибов

Новости МирТесен

Производительность сельского хозяйства во многом определяется качеством удобрений, создаваемых химической промышленностью. Поставлять необходимые компоненты растениям можно и альтернативными методами, однако для достижения наилучших результатов исследователи вынуждены изучать процессы, протекающие в почве, на генетическом уровне.

Фосфор играет ключевую роль в росте и повышении урожайности сельскохозяйственных растений. Однако, нерациональное применение фосфатных удобрений способно приводить к загрязнению речных вод и, парадоксальным образом, уменьшать продуктивность посевов.

Существует метод повышения поступления фосфора к растениям без увеличения дозировки удобрений – это использование симбиотических грибов для доставки питательных веществ к корням. Мицелий этих грибов переплетается с корнями, формируя микоризу. Благодаря этому организмы обмениваются ресурсами. Грибницы становятся расширением корневой системы, добывают для растений фосфаты и другие минеральные вещества. В обмен на них растения снабжают грибы углеводами.

Производство углеводов сопряжено со значительными энергетическими издержками. Растения не будут выделять грибам больше фосфора, чем требуется для их жизнедеятельности. Более того, при высоком содержании фосфатов в почве, растение полностью прекращает симбиотические отношения. В то же время, фосфор выступает в качестве ограничивающего фактора, несмотря на то, что грибы также способствуют поступлению азота, калия и магния.

Немецкие ученые выявили молекулярный переключатель, регулирующий начало и прекращение симбиоза. Биологи показали, что воздействие на растение посредством этого механизма позволяет поддерживать симбиотические отношения с грибами, даже если в почве достаточно фосфора. О результатах исследования опубликовано в журнале Science Advances.

Биологи использовали бобовое растение с полностью расшифрованным геномом для проведения исследований — Lotus japonicus. Центральную роль в поддержании симбиотических отношений сыграл фермент VIH2. Он регулирует синтез инозитолпирофосфатов — соединений, сигнализирующих о количество фосфатов в клетке. Когда этих веществ мало, VIH2 производит мало инозитолпирофосфатов, что дает клетке сигнал к режиму голодания. Это приводит к активации генов, ответственных за добычу фосфатов из внешней среды: начинается перестройка корня и растение инициирует симбиоз с грибами. Если фосфатов в клетке достаточно, этих процессов не происходит.

Ученые подавили действие фермента VIH2 при достаточном количестве фосфатов в среде роста. После этого растения повели себя так, как будто страдали от недостатка фосфора: поддерживали интенсивную колонизацию корней грибами, которая в норме подавлялась бы в этих условиях.

По мнению ученых, сложившийся взаимовыгодный союз не привел к ухудшению показателей роста и развития организмов, находящихся в симбиотических отношениях. Мицелий грибов, расположенный в корнях, сохранял свою стабильность и продолжал выполнять свои функции, а растения демонстрировали повышенную способность к усвоению фосфатов и других необходимых элементов.

Открытие механизма действия фермента VIH2 может позволить агротехникам целенаправленно манипулировать микоризацией у сельскохозяйственных культур. Однако результатам исследования еще придется прийти проверку в полевых условиях.