Зерновые культуры, такие как пшеница, кукуруза и рис в значительной степени зависят от минеральных удобрений для удовлетворения своих потребностей в азоте. Однако производство туков требует большого количества энергии, дорого обходится фермерам и оказывает негативное воздействие на окружающую среду.
В отличие от зерновых, бобовые, такие как горох, фасоль и боб, могут получать собственный азот благодаря естественным симбиотическим отношениям с азотфиксирующими бактериями, образуя боковые органы, происходящие из корней, называемые клубеньками. Эта азотфиксирующая способность также приводит к повышению содержания белка в бобовых культурах, что делает их более питательными для потребления человеком.
Ученые всего мира работают над тем, чтобы передать азотфиксирующие способности от бобовых к злакам, но для этого необходимо разгадать и понять сложные генетические и биохимические пути, участвующие в образовании клубеньков и фиксации азота.
В исследовании, опубликованном в The Plant Cell, группа ученых Кембриджского университета (SLCU) сделала важный шаг к достижению этой цели, выявив влияние растительного гормона гиббереллин (GA) на формирования и созревания азотфиксирующих корневых клубеньков у бобовых. Предыдущие исследования этого гормона дали довольно неоднозначные итоги:
«Эксперименты показали, что добавление GA уменьшает образование клубеньков, а удаление GA увеличивает образование клубеньков у бобовых. Поэтому предполагалось, что GA антагонистичен по отношению к образованию клубеньков. Но у гороха также есть мутант, который производит меньше GA и имеет меньше клубеньков, что позволяет предположить, что GA каким-то образом необходим для их образования».
Эти противоречивые результаты дали основания полагать, что важны пространственно-временное формированием структуры GA или его точная концентрация.
Используя высокочувствительный биосенсор следующего поколения, доктор Колин Драпек смогла определить, где и когда присутствует GA и в каких относительных концентрациях и занялась дальнейшим тестированием его действия путем регулирования сверхэкспрессии ферментов, расщепляющих или синтезирующих GA.
«Исследование показало, что GA очень важен для клубеньков, но его функция специфична для зон, где начинается образование клубеньков, а не для окружающих областей. Мы знаем, что низкий уровень GA благоприятен для начальной ризобиальной инфекции корней, но позже необходимо присутствие GA для продолжения процесса клубенькования и созревания клубеньков», – пишут ученые.
GA действует как положительный регулятор роста и развития клубеньков. Увеличение или уменьшение GA может увеличивать или уменьшать размер клубеньков соответственно. Гены, определяющие идентичность клубеньков, индуцируют и поддерживают накопление GA, необходимое для правильного образования клубеньков.
Эти результаты показывают, что накопление гормона в корне вероятно является критическим переключателем для развития клубеньков, специфичных для бобовых растений. Это важная информация при попытке перенести фиксацию азота на другие культуры, например, злаки.
