Благоприятные взаимоотношения между растениями и почвенными микробами играют решающую роль в сельском хозяйстве, обеспечивая устойчивые решения для снижения зависимости от синтетических удобрений. Исследователи обнаружили генетический механизм в растениях, который может революционизировать то, как сельскохозяйственные культуры используют богатые питательными веществами связи с почвенными микробами.
Эти результаты обещают снизить вред окружающей среде, наносимый чрезмерным использованием удобрений, и открыть новые возможности для устойчивого ведения сельского хозяйства.
Центральное место в этом открытии занимает роль гена растения в сигнальных путях, связанных с кальцием. Колебания содержания кальция в ядрах клеток корней имеют решающее значение для установления эндосимбиотических связей между растениями и полезными микробами.
Было обнаружено, что мутация в спирали S1 гена циклического нуклеотидзависимого канала (CNGC) 15 усиливает эти связи. Эта мутация автоматически активирует CNGC15, генерируя низкочастотные кальциевые колебания даже без внешних микробных сигналов.
Исследователи продемонстрировали, что мутация в бобовых, таких как Medicago truncatula, значительно усилила симбиоз с азотфиксирующими бактериями и арбускулярными микоризными грибами (AMF). Эти микробы обеспечивают растения необходимыми питательными веществами, такими как азот и фосфор, в обмен на сахара.
Улучшенный симбиоз корневых клубеньков у мутантов cngc15aGOF и cngc15cGOF. (Иллюстрация: Nature)
Важно отметить, что функциональная мутация CNGC15 (CNGC15GOF) повышает эффективность этих партнерских отношений в условиях сельского хозяйства, где богатые питательными веществами почвы обычно препятствуют таким естественным союзам.
Мутация — замена консервативного остатка пролина — изменяет структурную динамику белка CNGC15. Обычно белку требуются внешние сигналы для активации кальциевых колебаний, но мутация обходит это требование.
Мутация, вызывающая излом в трансмембранных спиралях, позволяет кальциевым каналам открываться автономно, вызывая колебания кальция, необходимые для симбиоза. Это открытие позволяет глубже понять, как растения регулируют эти важнейшие взаимодействия.
Чтобы понять этот процесс, ученые использовали криоэлектронную микроскопию и передовые инструменты моделирования. Они обнаружили, что движение трансмембранных спиралей, вызванное мутацией, позволяет каналу оставаться активным.
Этот механизм автоактивации согласуется с выводами о том, что DMI1, еще один белок, необходимый для кальциевых колебаний, действует как кардиостимулятор, регулирующий частоту колебаний. Было показано, что взаимодействие между DMI1 и CNGC15GOF регулирует кальциевую сигнализацию, способствуя эффективным симбиотическим реакциям.
DMI1 взаимодействует с CNGC15 в ядерной оболочке, модулируя его активность. Исследователи обнаружили, что связывание кальция с С-концевым доменом DMI1 имеет решающее значение для поддержания частоты кальциевых колебаний. Мутации в кальцийсвязывающих клетках DMI1 нарушают его способность регулировать CNGC15GOF, демонстрируя важность этого взаимодействия.
У растений, у которых отсутствует функциональный DMI1, автоактивация CNGC15GOF по-прежнему вызывала кальциевые колебания, хотя и с меньшей частотой. Это подчеркивает независимую роль CNGC15GOF в инициировании симбиоза.
Исследование, опубликованное в журнале Nature, также показало, как колебания кальция влияют на метаболизм растений. Эти колебания регулируют выработку флавоноидов — соединений, которые усиливают микробную колонизацию.
Было показано, что низкочастотные колебания, вызываемые CNGC15GOF, повышают уровень флавоноидов, создавая более благоприятную среду для полезных микробов. Это открытие связывает молекулярные механизмы передачи сигналов кальция с более широкими физиологическими изменениями в растениях.
Полевые испытания с пшеницей подтвердили потенциал этой мутации по сравнению с бобовыми культурами. Пшеница с мутацией CNGC15GOF показала повышенную колонизацию азотфиксирующими бактериями и AMF, что привело к улучшению усвоения питательных веществ. Это улучшение привело к увеличению сухой массы побегов и улучшению содержания питательных веществ, демонстрируя эффективность мутации в повышении урожайности сельскохозяйственных культур в реальных условиях.
CNGC15GOF автоматически активирует низкочастотные колебания Ca2+. (Иллюстрация: Nature)
Это имеет огромное значение для устойчивого сельского хозяйства. Улучшенный симбиоз снижает потребность в синтетических удобрениях, которые являются дорогостоящими и вредными для окружающей среды. Чрезмерное использование удобрений связано с загрязнением воды, деградацией почвы и выбросами парниковых газов. Используя естественные партнерские отношения между растениями и микробами, фермеры могут получать более высокие урожаи при минимальном воздействии на окружающую среду.
Доктор Мириам Шарпантье, возглавлявшая исследование, подчеркнула более широкое значение этих результатов. “Наше открытие вносит вклад в фундаментальные исследования кальциевой сигнализации, предлагая практические решения для устойчивого сельского хозяйства. Удивительно, что одна-единственная мутация может иметь такие далеко идущие последствия для растениеводства”, — сказала она.
Помимо повышения урожайности, мутация CNGC15GOF способствует глобальным усилиям по выращиванию устойчивых к изменению климата культур. В связи с усиливающимся изменением климата для обеспечения продовольственной безопасности требуются культуры, способные процветать в различных условиях. Улучшенное усвоение питательных веществ с помощью CNGC15GOF позволяет растениям противостоять почвам с низким содержанием питательных веществ и экологическим стрессам, что делает это открытие жизненно важным инструментом для будущего сельского хозяйства.
Это исследование также расширяет наше понимание кальциевых сигналов в растениях. Было показано, что колебания кальция регулируют выработку флавоноидов, которые играют важную роль в обеспечении симбиотических взаимодействий. Частота этих колебаний определяет специфичность реакции растения.
Высокочастотные колебания активируют экспрессию эндосимбиотических генов, в то время как низкочастотные колебания модулируют фенилпропаноидные пути, влияя на метаболические изменения.
Мутанты M. truncatula и пшеницы cngc15GOF выигрывают от усиленного симбиоза AM. (Иллюстрация: Nature)
Результаты исследования основаны на предыдущих исследованиях молекулярных механизмов эндосимбиоза. Ученым давно известно, что кальциевая сигнализация в ядрах клеток корней необходима для симбиотического партнерства. Однако это исследование раскрывает специфическую роль кальциевых колебаний, показывая, как они регулируют взаимодействие с азотфиксирующими бактериями и AMF. Это более глубокое понимание может послужить основой для будущих стратегий по укреплению этих партнерских отношений в широком спектре культур.
Мутация CNGC15GOF представляет собой важный шаг на пути к внедрению эндосимбиоза в современные системы земледелия. Повышая естественную способность сельскохозяйственных культур усваивать питательные вещества, этот подход снижает зависимость от неорганических удобрений и способствует сохранению окружающей среды. Полученные результаты согласуются с глобальными усилиями по сокращению выбросов в сельском хозяйстве и улучшению состояния почв.
Кроме того, исследование подчеркивает важность фундаментальной науки в решении глобальных проблем. Расшифровка молекулярных механизмов, лежащих в основе взаимодействия растений и микробов, открывает путь для инновационных решений в области продовольственной безопасности и экологической устойчивости.
Поскольку исследователи продолжают изучать потенциал генетических модификаций, таких как CNGC15GOF, сельскохозяйственный сектор может извлечь выгоду из более эффективных и экологичных методов ведения сельского хозяйства.
Практическое применение этого исследования выходит за рамки бобовых и пшеницы. Принципы, лежащие в основе CNGC15GOF, потенциально могут быть применены к другим культурам, что расширит влияние этого открытия.
Выведение высокоурожайных, устойчивых к болезням культур, которые также эффективно усваивают питательные вещества, является ключевой целью устойчивого сельского хозяйства. Данное исследование представляет собой важную веху в достижении этой цели.
Таким образом, открытие мутации CNGC15GOF предлагает новаторский подход к устойчивому ведению сельского хозяйства. Благодаря усилению симбиотических взаимодействий снижается потребность в вредных удобрениях и повышается устойчивость сельскохозяйственных культур.
Эта инновация является примером того, как научные исследования могут решать насущные глобальные проблемы, давая надежду на более экологичное и устойчивое будущее.
