Исследование, опубликованное в ноябрьском выпуске журнала New Phytologist, описало работу гена, который регулирует рост клубней картофеля и играет ключевую роль в усвоении азота растением.
Картофель — третья по популярности продовольственная культура в мире после риса и пшеницы. Однако для получения крупных урожаев картофельные поля требуют существенного количества азотных удобрений, которые не только дороги для фермеров, но и вредят окружающей среде. Чрезмерное применение удобрений приводит к загрязнению грунтовых вод нитратами, особенно после дождей и таяния снежного покрова.
Картофель, ведущий происхождение из Анд, был адаптирован к коротким зимним дням благодаря мутации в гене StCDF1. Это позволяло растениям вегетировать и давать клубни в течение всего года. Однако активная форма этого гена, используемая в современных сельскохозяйственных сортах, хоть и укрупняет клубни, но одновременно подавляет усвоение растениями азота из почвы.
Саломе Прат, ученый-генетик, замечает, что из-за этого фермеры вынуждены вносить больше удобрений, чем растения могут усвоить. Это усугубляет риски для окружающей среды.
Научные сотрудники Центра исследований в области сельскохозяйственной геномики в Барселоне выяснили, что ген StCDF1, регулирующий рост клубней картофеля, также блокирует выработку фермента нитратредуктазы — вещества, которое преобразует нитраты в форму, доступную для питания растения.
В рамках исследования ученые изменяли активность гена StCDF1, чтобы проверить, как это скажется на усвоении азота. Генетически модифицированные растения с отключенным геном StCDF1 не формировали клубни, но их листья становились крупнее, а корни — длиннее и гуще, даже в условиях низкого содержания азота в почве.
Для проведения опытов использовалась крайне бедная питательными веществами почва – с содержанием азота, в 400 раз меньшим, чем обычно требуется для выращивания картофеля. Тем не менее, измененные растения демонстрировали высокий уровень жизнеспособности.
Маруф Ахмед Шейх, молекулярный биолог и один из авторов исследования, рассказал: «Этот ген работает как переключатель, активируя одни гены и подавляя другие. Нас удивило, что он мощно влияет на гены, связанные с усвоением азота. Растения, выращиваемые на обедненных субстратах, все равно выглядели “счастливыми”».
Таким образом было доказано, что ген StCDF1 влияет на усвоение растением азота. Перспективы и значение этого открытия сложно переоценить. Прорыв в исследовании генома картофеля может привести к созданию новых сортов, которые требуют меньше удобрений, снижая затраты картофелеводов и улучшая экологическое состояние агрофитоценозов.
Учёные считают, что улучшение работы фермента нитратредуктазы может быть достигнуто как с помощью методов редактирования генов, так и традиционного скрещивания современных сортов с дикими предками.
По словам Штефана Полльмана, биолога из Мадрида, это открытие — настоящий прорыв. Картофель играет важнейшую роль в продовольственной безопасности. Если мы улучшим способность растения усваивать азот, это не только снизит затраты, но и увеличит урожайность, считает ученый.
Человечество получило надежду на создание более устойчивых сортов картофеля, которые смогут расти с минимальным количеством удобрений, сохраняя окружающую среду и сокращая расходы аграриев. Если ученым удастся реализовать это открытие на практике, мир получит более экологичный способ выращивания одной из важнейших сельскохозяйственных культур.
Генетически модифицированные растения с подавленным геном StCDF1 (справа) показали гораздо лучший рост в почве с низким уровнем азота, чем контрольные растения (слева) и растения с гиперэкспрессированным геном StCDF1 (в центре и слева), что показывает, что StCDF1 ограничивает поглощение азота.
Читайте также: