Сельскохозяйственные культуры будущего смогут самостоятельно добывать азот из воздуха и полностью отказаться от промышленных удобрений. Исследователи обнаружили механизм, который заставляет корни растений не отталкивать, а приглашать к "сотрудничеству" полезные бактерии. Об этом биологическом прорыве сообщили ученые из Орхусского университета (Дания) и опубликовали соответствующее исследование в журнале Nature, пишет портал Earth.
Секрет оказался в двух молекулах: ученые изменили только две точки в иммунном белке и это сработало. Раньше растение воспринимало микробов как угрозу, а теперь оно видит в них партнеров. Исследование проводили на диком бобовом растении Lotus japonicus. Оно является классической моделью для изучения симбиоза. Рецепторный белок в корнях этого растения решает судьбу микроба: уничтожить его или впустить внутрь.
Изменение двух конкретных аминокислотных остатков перенаправляет сигнал. Внешняя поверхность сенсора остается неизменной, однако внутреннее "сообщение" для клетки становится другим. Вместо команды "атаковать" корень получает сигнал "строить дом для бактерий". Такой минимальный "ремонт"2 белка открывает путь к созданию культур, не требующих вмешательства человека.
Друг или враг: борьба на уровне клеток
Ученые акцентируют, что растение постоянно делает выбор. В почве живут миллиарды микроорганизмов: одни хотят съесть корни, а другие - помочь ему расти. Бактерии посылают специальный "фактор Nod" – это короткий молекулярный пароль. Если растение его принимает, оно создает специальные узелки на корнях, и в них бактерии превращают азот из воздуха в пищу для растения.
Грибковые инфекции действуют иначе: их клеточные стенки содержат хитин. Это враждебный сигнал, который мгновенно запускает защиту. Проблема в том, что датчики для "друзей" и "врагов" расположены рядом и растение должно четко различать эти сообщения. Исследование доказало: большие изменения в эволюции видов часто базируются на простых молекулярных деталях, а не на появлении новых сложных органов.
Ячмень готов к изменениям
Злаковые культуры обладают скрытым потенциалом, говорится в исследовании. Ячмень уже обладает похожими сенсорами, однако в природе он всегда отвергает бактерии-помощники. Исследователи решили проверить теорию на практике и "переписали" две позиции в белке ячменя. Модифицированный протеин поместили в клетки Lotus japonicus. Результат был мгновенным: белок ячменя начал подавать сигнал о партнерстве.
Это означает, что злаки имеют "железо" для симбиоза. Им просто не хватает необходимого "программного обеспечения". Превратить этот лабораторный трюк в реальный урожай в поле – следующая задача для ученых. Нужно будет заставить ячмень самостоятельно управлять бактериями в реальной почве.
Почему это важно для экологии
Промышленные удобрения уничтожают планету, а их производство требует колоссального количества энергии. Процесс Габера-Боша, который дает нам аммиак, истощает ресурсы. Кроме того, излишки азота с полей попадают в реки и там провоцируют взрывное размножение водорослей. В воде исчезает кислород и образуются мертвые зоны, из-за чего рыба гибнет.
Также удобренная почва выделяет закись азота. Этот газ удерживает тепло гораздо сильнее, чем углекислый газ. Самоудобряющиеся растения остановят этот круговорот яда, ведь будут брать ровно столько азота, сколько им нужно для роста.
Риски и вызовы такой инженерии
Однако в исследовании акцентируется внимание на том, что с механизмом не все так просто. Изменение иммунитета рискованно, потому что патогены могут воспользоваться "открытой дверью". Если сделать растение слишком приветливым, оно может стать уязвимым к болезням. Сельскохозяйственным культурам может потребоваться больше пестицидов, а это нивелирует всю пользу от отказа от удобрений.
Также бактерии не работают "бесплатно", требуя сахар. Растение должно отдавать часть энергии от фотосинтеза своим новым партнерам. Селекционерам нужно найти баланс: урожайность должна оставаться высокой, даже если растение "кормит" микробов. Пока это только научный эксперимент, но он доказал, что переключатель из двух молекул работает.
Какие советы дают ученые для любителей растений
Эксперты советуют, какие цветы лучше всего сеять в марте и апреле, чтобы наслаждаться их цветением в течение всего лета. К таким растениям относятся девять видов, которые отличаются простотой выращивания из семян. За несколько месяцев ваш сад может превратиться в настоящий цветочный рай.
Для поддержания чистоты дорожек сада существует эффективный альтернативный метод борьбы с сорняками, который не требует использования гербицидов. Этот способ является экологически чистым и безопасным для здоровья, поскольку использует только два ингредиента, которые, вероятно, уже есть у вас дома.
Для получения обильного урожая абрикосов рекомендуется проводить обрезку деревьев в период с марта по апрель. Такая процедура поможет растению набраться сил к началу сезона и даст возможность собрать в пять раз больше плодов.
