Использование генетических особенностей картофеля может сократить потребность в удобрениях

Генетически модифицированные растения с заглушенным геном StCDF1 (справа) в условиях низкого содержания азота чувствуют себя гораздо лучше, чем контрольные растения (слева) и растения со сверхэкспрессированным геном StCDF1 (в центре и в центре слева), что свидетельствует о том, что StCDF1 ограничивает поглощение азота.

Ген, контролирующий время образования клубней у картофеля, также ограничивает поглощение азота.

Картофель занимает третье место в мире по потреблению и является вкусной закуской. Однако современный картофель требует большого количества азота в виде нитратных удобрений, которые стоят дорого и могут нанести вред окружающей среде. Группа исследователей обнаружила, что тот же генетический механизм, который указывает картофелю время роста цветов и клубней (съедобной части), также является ключевым игроком в управлении азотом в растении. Результаты исследования, опубликованные 6 ноября в журнале New Phytologist, могут привести к созданию сортов картофеля, требующих меньшего количества удобрений, что позволит фермерам сэкономить деньги и уменьшить экологический след от выращивания картофеля.

Картофель, уроженец Анд, первоначально выращивал клубни только зимой как способ хранения питательных веществ, ориентируясь на сокращение светового дня. Поэтому, попав в Европу в XVI веке, картофель столкнулся с серьезной проблемой. Короткие зимние дни сопровождались заморозками, которые убивали растения, прежде чем они успевали вырастить крупный картофель. В конце концов, естественная генетическая мутация в гене StCDF1, контролирующем рост клубней, помогла картофельным растениям адаптироваться к выращиванию клубней в любое время и гораздо дальше на север.

Исследователи, изучавшие StCDF1, чтобы понять, как он регулирует реакцию растений на цикл дневного света, обнаружили, что он работает как переключатель, активируя одни гены и выключая другие. Но они были удивлены, обнаружив, что он может включать и выключать гены, необходимые для поглощения азота, говорит Маруф Ахмед Шайх, молекулярный биолог растений из Центра исследований в области сельскохозяйственной геномики в Барселоне. Очень важно, что StCDF1 отключает производство фермента под названием нитрат-редуктаза, который расщепляет молекулы нитрата, чтобы они могли быть использованы растением. Это открытие показывает, что генетическая подстройка, которая позволила картофелю стать основным продуктом питания во всем мире, также сделала растения более требовательными к удобрениям.

Чтобы проверить, повлияет ли подстройка этого гена на поглощение азота, исследователи выращивали растения картофеля с отключенным геном StCDF1 в среде с низким содержанием азота — примерно в 400 раз меньше, чем в обычной почве — и изучали их состояние по сравнению с обычными растениями картофеля. Растения с дефицитом StCDF1 не могли выращивать клубни, но у них были более крупные листья и длинные корни, несмотря на недостаток азота. «Они выглядели счастливыми», — говорит Шайх.

Вероятно, андские сорта имели менее активный ген StCDF1 и могли лучше расти при меньшем количестве азота, объясняет команда. Однако именно более активная форма StCDF1 присутствует во всех коммерческих сортах картофеля, выращиваемых по всему миру. Компромисс: эта основная культура плохо усваивает азот, говорит биолог растений Саломе Прат, также сотрудник Центра исследований сельскохозяйственной геномики.

«Это проблема», поскольку заставляет фермеров использовать больше удобрений, чем растение может усвоить, говорит Прат. «Когда идут дожди, избыток удобрений попадает в грунтовые воды, загрязняя их».

Это открытие открывает путь к созданию сортов картофеля с повышенной эффективностью использования азота. Исследователи планируют использовать методы редактирования генов, чтобы изменить ген, производящий фермент нитрат-редуктазу, чтобы он не подавлялся StCDF1. Команда провела эксперименты, показавшие, что теоретически это возможно. Этой же цели можно достичь с помощью традиционной селекции, скрещивая фермерский картофель с дикими или традиционными сортами, которые от природы имеют измененные гены нитрат-редуктазы.

«Поглощение азота — одно из главных препятствий в сельском хозяйстве, — говорит Стефан Поллманн, биолог растений из Центра биотехнологии и геномики растений в Мадриде, который не принимал участия в новом исследовании. Помимо того, что это интересно с научной точки зрения, тот факт, что речь идет о картофеле — реальной культуре, выращиваемой во всем мире и имеющей важное значение для продовольственной безопасности, — делает это открытие потенциально «сокрушительным», — говорит Поллманн. «Если вы сможете улучшить усвоение нитратов, а значит, и питание растения, что в результате даст вам более крупные клубни, это будет очень важно».

Исследование Maroof Ahmed Shaikh, Lorena Ramírez-Gonzales, José M. Franco-Zorrilla, Evyatar Steiner, Marian Oortwijn, Christian W. B. Bachem, Salomé Prat. StCDF1: A ‘jack of all trades’ clock output with a central role in regulating potato nitrate reduction activity. New Phytologist. https://doi.org/10.1111/nph.20186