Zespół międzynarodowych naukowców po raz pierwszy zidentyfikował genetyczny „wyłącznik”, który przerywa proces przekształcania azotu atmosferycznego w składniki odżywcze przez rośliny strączkowe.

Rośliny strączkowe, takie jak fasola, groch i soczewica, są wyjątkowe wśród upraw ze względu na ich zdolność do interakcji z bakteriami glebowymi w celu przekształcania lub „wiązania” azotu w użyteczną formę składników odżywczych. Jednak ten energochłonny proces biologiczny ulega zmniejszeniu, gdy azot jest już w glebie w dużych ilościach, albo poprzez procesy naturalne, albo poprzez zastosowanie nawozu syntetycznego.

Najnowsze odkrycie regulatora genetycznego, który wyłącza wiązanie azotu, gdy poziom azotanów w glebie jest wysoki, umożliwiło naukowcom usunięcie genu z modelowych roślin strączkowych, zapewniając dalsze wiązanie azotu niezależnie od środowiska glebowego.

Zwiększenie biologicznej zdolności roślin strączkowych do wiązania azotu mogłoby pomóc w zwiększeniu wzrostu plonów i plonów, a jednocześnie zmniejszyć zapotrzebowanie na nawozy syntetyczne, które przyczyniają się do śladu środowiskowego rolnictwa.

Wyniki badań, przeprowadzonych w ramach międzynarodowego projektu Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture (ENSA), zostały opublikowane w Natura.

„Z rolniczego punktu widzenia ciągłe wiązanie azotu może być korzystną cechą, która zwiększa dostępność azotu, zarówno dla roślin strączkowych, jak i przyszłych upraw, które zależą od azotu pozostałego w glebie po uprawie roślin strączkowych” – powiedział główny autor, dr Dugald Reid , wykładowca na Uniwersytecie La Trobe i kierownik grupy badawczej w Instytucie Zrównoważonego Rolnictwa i Żywności La Trobe (LISAF) oraz na Wydziale Roślin Zwierzęcych i Gleboznawstwa, a także badacz ENSA.

„Pomaga to położyć podwaliny pod przyszłe badania, które zapewniają nam nowe sposoby zarządzania naszymi systemami rolniczymi w celu ograniczenia zużycia nawozów azotowych, zwiększenia dochodów gospodarstw i ograniczenia wpływu stosowania nawozów azotowych na środowisko”.

Zespół odkrył regulator znany jako „Fixation Under Nitrate” (FUN) po przebadaniu 150 000 pojedynczych roślin strączkowych, w których wyeliminowano geny, aby określić, w jaki sposób rośliny kontrolują przejście z wiązania azotu na pobieranie azotu w glebie.

Stwierdzono, że FUN, będący rodzajem genu zwanego czynnikiem transkrypcyjnym i kontrolującym poziom innych genów, jest obecny w roślinach strączkowych niezależnie od tego, czy jest aktywny, czy nieaktywny i niezależnie od poziomu azotu.

„W ramach badania zaprojektowaliśmy ekran genetyczny tysięcy roślin w szklarniach, aby zidentyfikować geny łączące czynniki środowiskowe z sygnałami biologicznymi” – powiedział dr Jieshun Lin, współautor artykułu i badacz ENSA.

„Zwiększając poziom azotanów dostępnych w modelowych roślinach strączkowych, byliśmy w stanie zidentyfikować rośliny z upośledzoną regulacją wiązania azotu i odkryć mutanta FUN”.

Następnie zespół wykorzystał kombinację biochemii, badań ekspresji genów i mikroskopii, aby odkryć, że gdy jest nieaktywny, FUN tworzy długie włókna białkowe.

Doprowadziło to do wtórnego odkrycia, że ​​poziom cynku odgrywa rolę w aktywowaniu FUN i zatrzymywaniu wiązania azotu.

„Odkryliśmy, że zmiana poziomu azotu w glebie zmienia poziom cynku w roślinie. Cynk nie był wcześniej powiązany z regulacją wiązania azotu, ale nasze badanie wykazało, że zmiana poziomu cynku z kolei aktywuje FUN, która następnie kontroluje dużą liczbę genów hamujących wiązanie azotu” – powiedział dr Kasper Andersen, współautor i badacz ENSA.

„Usunięcie FUN stwarza zatem stan, w którym roślina nie blokuje już wiązania azotu”.

Badanie prowadzili naukowcy z Uniwersytetu La Trobe w Australii i Uniwersytetu w Aarhus w Danii i obejmowało współpracę z Europejskim Ośrodkiem Promieniowania Synchrotronowego (ESRF), Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas w Hiszpanii i Universidad Politécnica de Madrid (UPM).

Naukowcy badają obecnie, jak radzą sobie popularne rośliny strączkowe, takie jak soja i groszek chiński, gdy tracą aktywność FUN.