Как растения решают, когда зацветать: учёные обнаружили переключатель, реагирующий на фосфор

от

Фосфор — ключевой компонент удобрений — на исходе

Мировые продовольственные системы зависят от фосфора, добываемого из ограниченных запасов. Однако большая часть того, что вносится в поля, вымывается, оставляя почвы всё более истощёнными. По мере того как фосфора становится всё меньше, сельскохозяйственным культурам всё труднее расти и размножаться, что угрожает урожайности и глобальной продовольственной безопасности.

Растения справляются с этой проблемой миллионы лет

Пока люди ищут способы более эффективного использования фосфора, растения регулируют этот процесс по-своему. Когда фосфора не хватает, они корректируют свой рост, замедляют цветение и ждут лучших условий. До сих пор метод, который растения используют для такого изменения развития, был загадкой для учёных.

Исследователи из Института устойчивости растений Мичиганского государственного университета обнаружили молекулярный механизм, который позволяет растениям ощущать дефицит фосфора и откладывать цветение.

Эта стратегия выживания может вдохновить на новые способы селекции сельскохозяйственных культур для бедных питательными веществами почв.

Статья, опубликованная в журнале Developmental Cell, раскрывает фосфор-зависимый «переключатель» внутри растительных клеток, который перепрограммирует их развитие при нехватке питательных веществ.

«Это первый раз, когда мы увидели такую прямую связь между состоянием питательных веществ, перемещением белка внутри клетки и контролем времени цветения», — сказал доцент Хатем Руашед, старший автор и преподаватель кафедры растительных, почвенных и микробиологических наук в Мичиганском государственном университете.

«Это открытие помогает объяснить, как растения переводят стрессовое состояние от недостатка питательных веществ в регулирование времени развития. Понимая этот механизм, мы можем начать создавать культуры, которые цветут и дают оптимальный урожай даже в условиях бедных питательными веществами почв», — добавил он.

Исследование, проведённое под руководством доктора Хуэй-Кён Чо, постдокторанта в лаборатории Руашеда, началось с простого наблюдения: растения, выращенные в условиях дефицита фосфора, зацветают позже, чем те, у которых достаточно фосфора.

Используя картирование ассоциаций на уровне всего генома у Arabidopsis, Чо и её коллеги искали молекулярную основу, объясняющую это явление.

Их поиски привели к неожиданному кандидату — белку под названием β-ГЛЮКОЗИДАЗА 25 (bGLU25). Хотя bGLU25 принадлежит к семейству ферментов, которые обычно расщепляют углеводы, команда обнаружила, что он каталитически неактивен. Вместо этого он действует как сигнал, передавая информацию об окружающей среде растения.

При богатых фосфором условиях белок bGLU25 спокойно находится в эндоплазматическом ретикулуме — клеточном компартменте, который помогает обрабатывать белки. Когда фосфора становится мало, bGLU25 расщепляется другим белком — SCPL50 — и высвобождается в цитозоль — жидкую внутреннюю часть клетки.

«Это движение из одного компартмента в другой — это способ растения переключить молекулярный переключатель», — сказала Чо. «Оно меняет то, с чем может взаимодействовать bGLU25, и это меняет то, как растение решает, когда зацвести».

Оказавшись в цитозоле, bGLU25 связывается с другим белком — AtJAC1, который затем захватывает третий белок — GRP7, предотвращая его попадание в ядро клетки. GRP7 обычно регулирует ген, известный как FLOWERING LOCUS C (FLC), — главный репрессор, который не даёт растениям зацвести слишком рано.

Поддерживая GRP7 в цитозоле, bGLU25 косвенно повышает активность FLC, задерживая цветение при дефиците фосфора. В результате получается точно настроенная реакция: при низком содержании фосфора растение инвестирует в выживание, а не в размножение.

«Это элегантный пример того, как растения интегрируют сигналы окружающей среды в выбор развития», — сказал Руашед.

Фосфор необходим для метаболизма растений. Он является частью ДНК, мембран и энергетических молекул, таких как АТФ. Но богатые фосфором почвы редки, а поставки фосфорных удобрений зависят от ограниченных мировых запасов. Понимание того, как растения естественным образом справляются с дефицитом, может помочь учёным вывести культуры, эффективно использующие питательные вещества, которые требуют меньше удобрений при сохранении урожайности.

«Этот механизм — не просто любопытство Arabidopsis», — сказал Руашед. «Мы уже видели доказательства того, что аналогичный процесс действует у риса и других сельскохозяйственных культур. Это открывает захватывающие возможности для повышения устойчивости сельского хозяйства в регионах с дефицитом фосфора».

Расшифровав, как растения ощущают стресс от недостатка фосфора и реагируют на него, Руашед и Чо надеются заложить основу для нового поколения «питательно-умных» культур.

«Если мы сможем помочь растениям лучше решать, когда зацветать и как использовать свои ресурсы, мы сможем помочь сельскому хозяйству стать более устойчивым», — сказал Руашед. «Это открытие даёт нам план для такого будущего».

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте