Работа, опубликованная в номере журнала Nature от 15 марта, поднимает вопрос о возможности обработки растений пробиотиками и микробами для повышения их эффективного использования фосфата. Форма фосфатных растений, которую можно использовать, находится под угрозой достижения своего пика — когда предложение не успевает за спросом — всего за 30 лет, что потенциально снижает урожайность сельскохозяйственных культур, поскольку население мира продолжает расти и глобальное потепление. снижает урожайность сельскохозяйственных культур, что может иметь разрушительные последствия для мирового продовольственного снабжения.«Мы точно показываем, как ключевой« переключающий белок », PHR1, контролирует реакцию на низкий уровень фосфата, большой стресс для растений, а также контролирует иммунную систему растений», — сказал Джефф Дангл, заслуженный профессор Джона Н. Кача и Исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. «Когда растение испытывает стресс из-за этого важного питательного вещества, оно отключает свою иммунную систему, поэтому оно может сосредоточиться на сборе фосфатов из почвы.
По сути, растение устанавливает свои приоритеты на клеточном уровне».Дангл, который работал с ведущими авторами, докторантами Габриэлем Кастрилло и Пауло Хосе Перейра Лима Тейшейра, аспирантом Сур Эррера Паредес и аналитиком Терезой Ф. Лоу, обнаружил доказательства того, что почвенные бактерии могут использовать этот компромисс между поиском питательных веществ и иммунной защитой. , потенциально, чтобы помочь установить симбиотические отношения с растениями.
Бактерии, кажется, усиливают эту реакцию на фосфатный стресс, отчасти просто конкурируя за фосфат, но также активно «приказывая» растению включить реакцию на фосфатный стресс.В недавних исследованиях биологии растений были выявлены намеки на взаимосвязь между уровнем фосфатов в растениях и активностью иммунной системы — взаимосвязь, которой могут управлять некоторые микробы. В новом исследовании Дангл и его коллеги углубились в эту взаимосвязь, используя мутантные версии Arabidopsis thaliana, сорняка, который долгое время был стандартной «лабораторной крысой» в исследованиях биологии растений.
В одном эксперименте команда Дангла обнаружила, что растения арабидопсиса с мутантными версиями гена PHR1 не только нарушали реакцию на фосфатный стресс, но также развивали различные сообщества микробов внутри и вокруг своих корней при выращивании на местной почве Северной Каролины. Это имело место даже в среде обильного фосфата, где конкуренция фосфатов не была бы фактором, намекая на то, что в растениях происходит что-то еще, что запускает рост различных микробных сообществ.
Исследователи обнаружили аналогичные результаты при изучении PHL1, белка, тесно связанного с PHR1, со схожими, но более слабыми функциями.В другом эксперименте в лабораторных условиях исследователи колонизировали корни стерильно выращенных нормальных растений арабидопсиса набором из 35 видов бактерий, выделенных из корней растений, ранее выращенных в той же родной почве.
У этих повторно колонизированных растений реакция на фосфатный стресс увеличивалась при воздействии условий с низким содержанием фосфатов.Дальнейшие исследования показали, что PHR1 — и, вероятно, в меньшей степени PHL1 — не только активирует реакцию на фосфатный стресс, но также запускает паттерн экспрессии генов, который снижает иммунную активность и, таким образом, облегчает выживание резидентным микробам.
Полученные данные свидетельствуют о том, что обитающие в почве микробы выяснили, как ладить со своими растениями-хозяевами, по крайней мере частично, путем активации PHR1 / PHL1 для подавления иммунных ответов на них. Команда Дангла также считает, что эти микробы могут быть необходимы растениям, чтобы нормально реагировать на условия с низким содержанием фосфатов.
Таким образом, можно было бы использовать эту взаимосвязь — с помощью пробиотиков или связанных с ними обработок сельскохозяйственных культур — чтобы растения могли обходиться меньшим количеством фосфатов.«Фосфат — ограниченный ресурс, и мы не используем его очень эффективно», — сказал Дангл, который также является адъюнкт-профессором микробиологии и иммунологии в Медицинской школе UNC. «Как часть удобрений, фосфат попадает в водные пути, где он может отрицательно повлиять на речные и морские экосистемы.
Было бы лучше, если бы мы могли использовать фосфат более эффективным способом».