Исследователи из Нью-Йоркского университета идентифицировали белок, который действует как молекулярный сигнал остановки поглощения азота растениями. Это открытие может в конечном итоге дать селекционерам генетическую мишень для создания культур, которые используют удобрения гораздо эффективнее. Исследование, опубликованное в журнале The Plant Cell, сосредоточено на факторе транскрипции под названием HHO5.
Как HHO5 работает как азотный тормоз
Команда Нью-Йоркского университета обнаружила, что HHO5 сообщает растению, когда оно усвоило достаточно азота и может прекратить брать его из почвы. Когда уровень азота в растении достигает порогового значения, экспрессия HHO5 возрастает и запускает каскад последующих генных изменений, которые эффективно отключают механизм поглощения. Белок специфически реагирует на органический азот, который растения используют для переноса на большие расстояния, хранения и синтеза аминокислот, необходимых для питания человека.
«Определив генные регуляторы, чувствительные к различным уровням и типам азота, мы обнаружили регуляторный фактор, контролирующий использование азота, а также ключ к улучшению поглощения и ассимиляции азота в органический азот растениями», — сказала Глория Коруцци, профессор Кэрролла и Милтона Петри на факультете биологии Нью-Йоркского университета и в Центре геномики и системной биологии, а также со-старший автор исследования.
Почему эффективность растительного азота важна для удобрений
Во всем мире сельскохозяйственные культуры используют лишь около 30–50% азотных удобрений, вносимых на поля. Остальное попадает в водные пути в виде стоков нитратов или попадает в атмосферу в виде закиси азота — парникового газа, примерно в 300 раз более мощного, чем углекислый газ на единицу. Повышение эффективности использования азота на уровне предприятий является одним из наиболее прямых путей к снижению как затрат на удобрения, так и ущерба окружающей среде.
Современные подходы к повышению эффективности использования азота сосредоточены в первую очередь на почве: покрытия с медленным-высвобождением, ингибиторы нитрификации и точное время внесения. Открытие HHO5 открывает дополнительный путь, нацеленный на собственную нормативную схему завода. Если селекционеры смогут изменить то, насколько агрессивно HHO5 прекращает поглощение азота, сельскохозяйственные культуры потенциально смогут вытягивать больше азота из почвы до того, как сработает тормоз, уменьшая количество остающихся неиспользованных удобрений.
От лабораторного открытия до применения в полевых условиях
Исследовательская группа обнаружила, что разные формы азота по-разному влияют на уровень экспрессии HHO5. Неорганический азот, форма, непосредственно поглощаемая из удобрений, вызвал иную реакцию, чем органический азот. Это различие важно, поскольку предполагает, что сигнальный путь достаточно детализирован, чтобы селекционеры потенциально могли точно-настроить его, не нарушая другие метаболические процессы.
Нью-Йоркский университет подал заявку на патент, охватывающую исследование и его потенциальное использование для повышения эффективности использования азота растениями. Университет не раскрывает информацию о ходе лицензирования, но патент свидетельствует о коммерческих намерениях.
Это открытие произошло в тот момент, когда стоимость азотных удобрений выросла во всем мире. По данным Министерства сельского хозяйства США, розничные цены на карбамид в США в начале августа составили в среднем 594 доллара за тонну и лишь незначительно снизились по сравнению с пиковыми значениями середины-года, вызванными разрушением Ормузского пролива. Любое генетическое улучшение, которое позволит сельскохозяйственным культурам извлекать больше пользы из каждой тонны внесенного азота, напрямую повлияет на экономику ферм.
Растущая область исследований эффективности азота
Работа Нью-Йоркского университета вписывается в более широкую волну исследований эффективности использования азота. Исследование Purdue, опубликованное в июле, выявило генетический переключатель, контролирующий фиксацию азота в соевых бобах, а исследователи из Университета штата Вашингтон сообщили в мае, что гены -фиксации азота могут передаваться между бактериальными штаммами. Такие компании, как Pivot Bio, Intrinsyx Bio и Kula Bio, коммерциализируют микробные подходы к биологической фиксации азота.
Что отличает открытие HHO5, так это то, что оно сосредоточено на собственной передаче сигналов растения, а не на почвенном микробиоме. Он нацелен на нормативный контрольный пункт, который существует для всех растений, а не только для бобовых, а это означает, что любое улучшение теоретически может применяться к основным зерновым культурам, включая кукурузу, пшеницу и рис.
Тем не менее, перевод открытия фактора транскрипции в коммерческий сорт сельскохозяйственных культур обычно занимает десятилетие или больше. Непосредственная ценность заключается в том, чтобы дать учёным-растоводителям конкретную, хорошо охарактеризованную-генетическую цель, с которой они смогут работать, разрабатывая сорта, дающие больше зерна на единицу внесенного азота.
