Новое понимание реакции растений на питательные вещества может улучшить стратегии использования удобрений

Зеленый — это цвет, который почти всегда ассоциируется с растениями — не зря. Зеленый пигмент хлорофилл необходим для способности растений производить пищу; но что произойдет, если им этого не хватит?


Новая работа Карнеги, Университета штата Мичиган, и Национального исследовательского института сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды во Франции раскрывает сложные, взаимозависимые реакции на питательные вещества, лежащие в основе потенциально смертельного состояния с низким содержанием хлорофилла, называемого хлорозом, которое связано с анемичным желтым цветом кожи. Их выводы, опубликованные Nature Communications, может привести к более экологически чистым методам ведения сельского хозяйства — с использованием меньшего количества удобрений и меньших водных ресурсов.

Фотосинтез — это сложный биохимический процесс, с помощью которого клетки растений преобразуют энергию Солнца в химическую энергию, которая затем используется для превращения углекислого газа из атмосферы в молекулы сахара. Это происходит внутри узкоспециализированных органелл растительных клеток, называемых хлоропластами.

Питательные вещества накапливаются в хлоропластах и ​​необходимы для их оптимального функционирования. Исследовательская группа, возглавляемая Хатемом Руачедом из МГУ и включающая Сью Ри из Карнеги, Хе-Ин Нам, Яннив Дороне, Софи Кловез и Кангмей Чжао, показала, что для предотвращения хлороза необходим баланс железа и фосфора. Проект был инициирован, когда Руашед был приглашенным исследователем в Карнеги из Франции, что отчасти стало возможным благодаря Брижит Бертелемощедрая поддержка для развития франко-американского исследовательского сотрудничества.

«В течение долгого времени эксперты считали, что низкое содержание железа является единственной причиной хлороза, и фермеры часто применяли железо для борьбы с пожелтением листьев», — пояснил Ри. «Но недавняя работа показала, что другие питательные вещества играют роль в возникновении этой анемической реакции».

Чтобы лучше понять, что делает листья хлоротичными, исследователи решили изучить реакцию на несколько питательных веществ согласованно, а не поодиночке.

Они обнаружили, что растения с хлорозом, вызванным дефицитом железа, желтеют и фотосинтетическая активность, как и ожидалось, пострадает. Однако, когда фосфор был удален, листья растения начали накапливать хлорофилл и снова стали зелеными.

Объяснение этой неожиданной реакции заключается в передаче сигналов между хлоропластом, где происходит фотосинтез, и ядром клетки, где хранится ее генетический код.

Междисциплинарный анализ показал, что способность ядра регулировать экспрессию генов в ответ на низкий уровень железа зависит от доступности фосфора. Такое сложное наслоение откликов на питательные вещества показывает, что еще многое предстоит узнать об этих каналах связи между этими двумя важнейшими органеллами растения.