Биологи сделали шаг навстречу сельскому хозяйству будущего, в котором фермерам не нужны будут горы химических удобрений. Ученые давно заметили, что бобовые культуры — горох, фасоль, соя — прекрасно растут даже на бедной почве. Секрет в их корнях: они образуют небольшие клубеньки, в которых поселяются особые бактерии. Эти микробы умеют превращать азот из воздуха в питательные вещества, которые и подкармливают растение. По сути, бобовые сами создают себе удобрение, не дожидаясь помощи человека. Злаки вроде ячменя или пшеницы так не умеют — они предпочитают держать микробов на расстоянии.
Команда ученых под руководством Симоны Радутойу из Орхусского университета (Дания) решила выяснить, почему одни растения могут сотрудничать, а другие — нет. Для экспериментов они взяли небольшое бобовое растение лотос японский, на котором удобно изучать корневые процессы. В центре внимания оказался рецепторный белок — своего рода сторож, который сидит на корнях и оценивает, кто пытается проникнуть внутрь: друг или враг. Результаты исследования опубликовали в научном журнале Nature.
Когда рядом появляются полезные бактерии, клетки корневой системы пропускают их внутрь. Если же к корню приближается грибок, белок получает сигнал тревоги в виде частиц хитина и запускает защитную реакцию. Растению нужно каждый раз делать выбор: открыть ворота или готовиться к обороне.
Ученые обнаружили, что за этот выбор отвечают всего два крошечных участка белка. Они находятся глубоко внутри сенсора и работают как молекулярный переключатель. Если изменить структуру этих участков, сигнал меняется.
У ячменя есть похожие рецепторы, но в природе он никогда не впускает азотфиксирующих бактерий в корни. Ученые взяли белок ячменя, заменили в нем те самые две детали. И переключатель сработал: рецептор подал сигнал к сотрудничеству. Другими словами, у злаков уже есть все необходимое для дружбы с микробами, просто этот механизм у них отключен. Его можно «включить» точечной настройкой.
Это открытие может изменить сельское хозяйство. Сегодня, чтобы прокормить растущее население, поля по всему миру заваливают удобрениями. Дожди смывают излишки азота с полей в реки и озера. В воде начинают буйно расти водоросли, они забирают весь кислород, и рыба с моллюсками погибают. Кроме того, переудобренная почва выделяет закись азота — мощный парниковый газ, который разгоняет глобальное потепление.
Если бы пшеница или кукуруза научились добывать азот так же, как бобы, проблем стало бы намного меньше. Но, как обычно, есть множество «но».
- Во-первых, просто пересадить бактерии в корни злаков недостаточно. Растению придется строить для них специальные «домики» — те самые клубеньки, тратить на это силы и делиться с микробами сахаром, который добывает из солнечного света. Урожайность при этом не должна упасть.
- Во-вторых, нельзя ломать иммунитет растений. Если ученые ослабят защитный механизм, чтобы впустить хороших микробов, не просочатся ли внутрь и вредные? Патогены могут воспользоваться той же лазейкой, и тогда поля начнут болеть. Фермерам придется лить больше пестицидов, и экологический эффект сойдет на нет.
Пока эксперименты проводились в лаборатории. Нужно проверить, как растения поведут себя в реальном поле, при разной погоде и на разных почвах.
Где зародилось сельское хозяйство 12 000 лет назад: новые данные
Как растения пробиваются сквозь толстую почву и даже бетон: найден ответ
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram