Kľúčový spínač symbiózy s pôdnymi hubami môže vyriešiť dlhotrvajúci problém poľnohospodárstva

V priebehu evolúcie si rastliny vyvinuli elegantnú stratégiu proti nedostatku fosfátu v pôde — formujú symbiotické vzťahy s pôdnymi hubami. Tieto mykorízne huby efektívne dodávajú svojim rastlinným partnerom fosfát a ďalšie esenciálne minerály.

Vedci na Leibniz Institute of Plant Biochemistry (IPB) v Halle v spolupráci s partnermi z University of Bonn nedávno objavili molekulárny spínač, ktorý detekuje obsah fosfátu v rastline a signalizuje, či symbiózu iniciovať alebo inhibovať. Táto signalizačná dráha by mohla umožniť rastlinám vytvárať partnerstvá s pôdnymi hubami aj vtedy, keď je k dispozícii dostatok fosfátu. Štúdia publikovaná v časopise Science Advances ponúka potenciálne riešenie dlhotrvajúceho poľnohospodárskeho problému a otvára nové možnosti pre zníženie používania hnojív.

Prečo rastliny obmedzujú hubové partnerstvá

Inokulácia plodín mykoríznymi hubami je kľúčová pre zvyšovanie poľnohospodárskych výnosov. Jemné hubové hýfy fungujú ako predĺžený koreňový systém a výrazne zvyšujú príjem minerálov a živín. Fosfát je pre rastliny obzvlášť dôležitý, pretože je kľúčovým regulátorom ich energetickej bilancie, a rastliny ho z pôdy efektívne získavajú práve cez túto symbiózu. Toto partnerstvo má však pre rastlinu cenu — musí hubám odovzdať časť uhľohydrátov, ktoré sama produkuje.

Táto cena je pre rastlinu taká vysoká, že symbiózu potláča, keď je v pôde k dispozícii dostatok fosfátu.
— Martina Ried-Lasi, vedúca výskumnej skupiny Symbiosis Signaling, IPB

Napriek dostatočnej dodávke fosfátu, vzdanie sa symbiózy negatívne ovplyvňuje výnosy, pretože huby podporujú aj príjem dusíka, horčíka a draslíka.

Preto poľnohospodárstvo hľadá stratégie, ako udržiavať mykorízne asociácie v plodinách bez ohľadu na dostupnosť fosfátu v pôde. Naša štúdia demonštruje potenciálny prístup k cielenej podpore takýchto symbióz v budúcnosti.
— Gabriel Schaaf, University of Bonn

Spínač VIH2 za symbiózou

Pomocou modelovej rastliny Lotus japonicus výskumný tím identifikoval enzým VIH2 ako kľúčový regulátor formovania symbiózy. VIH2 kontroluje produkciu inozitolových pyrofosfátov — signálnych molekúl, ktoré indikujú stav fosfátu. Keď je v bunke málo fosfátu, VIH2 produkuje malé množstvá inozitolových pyrofosfátov, čo signalizuje bunke spustenie hladovacieho programu. Táto odpoveď zahŕňa aktiváciu génov pri nedostatku fosfátu, prebudovanie architektúry koreňov a iniciovanie mykoríznej symbiózy.

Keď je prísun fosfátu dostatočný, VIH2 produkuje veľké množstvá týchto signalizačných molekúl. Odpoveď na hladovanie po fosfáte je tým potlačená a partnerstvo s mykoríznymi hubami inhibované.

Skúmali sme, či cielená inhibícia enzýmu znovuspustí odpoveď na hladovanie po fosfáte a umožní formovanie mykorízy. A rastliny sa skutočne správali, ako keby trpeli nedostatkom fosfátu, hoci v kultivačnom médiu bolo prítomné dostatočné množstvo fosfátu.
— Martina Ried-Lasi, IPB

Rastliny si v dôsledku toho udržali svoju intenzívnu kolonizáciu mykoríznymi hubami, ktoré sú za daných podmienok zvyčajne potlačené. Najdôležitejším zistením výskumného tímu bolo, že udržiavaná symbióza nemala za podmienok pokusu žiadne negatívne účinky na rast a vývoj žiadneho z partnerov. Hubové štruktúry v koreňoch zostali stabilné a funkčné, a rastliny vykazovali zvýšený príjem fosfátu a ďalších živín.

Toto nám umožnilo oddeliť reguláciu mykoríznej symbiózy od stavu fosfátu v pôde. Bol to ústredný cieľ vo výskume mykorízy už desaťročia.
— Gabriel Schaaf, University of Bonn

Identifikáciou VIH2 ako kľúčového regulačného spínača môžu rastlinní odborníci v budúcnosti cielene manipulovať mykorizáciu pri kultúrnych plodinách. Na rozdiel od konvenčných prístupov môžu moderné šľachtiteľské metódy, ako napríklad úprava genómu, flexibilne a rýchlo optimalizovať pripravenosť rastliny na symbiózu. Či sa však účinky na výnos a stabilitu potvrdia aj v poľných podmienkach, bude treba ešte overiť.

Fosfát ako obmedzený zdroj

Fosfor, vo forme fosfátu, zohráva ústrednú úlohu v energetickom metabolizme všetkých živých organizmov. Fosfát je považovaný za obmedzený, neobnoviteľný zdroj. Mnohé surové fosfátové ložiská sú navyše kontaminované ťažkými kovmi. Približne 90 % z 200 miliónov ton surového fosfátu vyťaženého ročne na celom svete sa používa na výrobu hnojív. Bez hnojív by vysokovýnosové pestovanie plodín nebolo možné.

Nadmerné používanie fosfátových a minerálnych hnojív však vedie k environmentálnym problémom, ako sú kontaminácia pôdy ťažkými kovmi, znečistenie podzemných vôd a eutrofizácia vodných ekosystémov. Mykorizácia plodín je kľúčová pre zmiernenie problému s fosfátom v poľnohospodárstve. S pomocou týchto pôdnych húb môžu farmári znížiť používanie minerálnych hnojív a zároveň znížiť riziko eutrofizácie.

DOI: 10.1126/sciadv.aec5607
Časopis: Science Advances
Autori: Kiran Raj a kolektív (Leibniz Institute of Plant Biochemistry, University of Bonn)

Autor pôvodného článku: Leibniz Institute of Plant Biochemistry, phys.org