Азот — ключевой элемент для роста растений, и большинство сельскохозяйственных культур способны получать его в основном из удобрений. Исключение составляют бобовые — горох, клевер, фасоль и их родственники, которые вступают в симбиоз с азотфиксирующими бактериями. Эти бактерии превращают атмосферный азот в форму, усваиваемую растением, делая бобовые частично независимыми от подкормки азотными удобрениями.
Всемирное научное сообщество давно стремится понять, какие гены и молекулярные механизмы делают эту способность возможной, и попытаться перенести их на злаки вроде пшеницы, ячменя и кукурузы. Это позволило бы резко сократить внесение синтетических удобрений, которые потребляют значительную долю мировой энергии и являются заметным источником выбросов CO₂.
Аминокислотный «переключатель» рецептора
Ученые Орхусского университета (Дания) обнаружили, что в корнях бобовых есть особый участок в белке‑рецепторе, который они назвали «Определителем симбиоза 1». Именно этот участок управляет тем, как растение передаёт сигналы внутрь клетки после контакта с бактерией.
Оказалось, что изменение всего двух аминокислот в этом участке может «переключить» рецептор: из раздражителя иммунного ответа он превращается в проводник симбиотического сигнала, открывающий путь для закрепления азотфиксирующих бактерий в корнях.
Почему это так важно для растений
Растения используют рецепторы, чтобы распознавать сигналы от почвенных микробов и решать, является ли организм друзьям или врагом. В случае бобовых определённые штаммы бактерий привлекаются к корням, где формируются корневые клубеньки, а внутри них идёт фиксация атмосферного азота.
Открытие показало, что небольшое молекулярное изменение позволяет растению не запускать иммунную защиту, а, наоборот, активно приглашать бактерии, что делает симбиоз продуктивным и стабильным.
Перспективы для пшеницы, кукурузы и риса
Успешные эксперименты на японском лотосе, одном из модельных растений, продемонстрировали, что те же генетические механизмы можно перенести в принципе на другие виды. Это открывает дорогу к сорам злаковых культур, которые способны хотя бы частично сами обеспечивать себя азотом за счёт азотфиксирующих бактерий.
Если удастся закрепить такой механизм у пшеницы, кукурузы и риса, аграрии смогут существенно снизить нормы азотных удобрений, сохраняя при этом урожайность, а почва и экосистема получат меньше нагрузки.
Как это связано с качеством семян
Высокий урожай возможен только при использовании здорового семенного и посадочного материала, свободного от карантинных вредных организмов. В лабораториях Всероссийского центра карантина растений (ФГБУ «ВНИИКР» Россельхознадзора) проводят исследования подкарантинной продукции, чтобы выявлять патогены, которые могут повредить корневую систему или симбиотические ассоциации, а значит, снижают потенциал естественного питания растений.