Генетики создают растения, которые сами себя удобряют
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