Мировое сельское хозяйство претерпевает трансформацию в сторону более устойчивых методов выращивания урожая важнейших продовольственных культур, к которым относится и картофель – второй хлеб. Ученые исследуют молекулярные диалоги для селекции картофеля с лучшей способностью усваивать азот из удобрений, что позволит сократить внесение минеральных подкормок.
эксклюзив 🔹
Портал AgroXXI.ru ознакомился со статьей коллектива китайских ученых Хэбэйского сельскохозяйственного университета, Академии сельскохозяйственных и животноводческих наук Внутренней Монголии и Ключевой лаборатории охраны и использования чернозема (Хух-Хото), Министерства сельского хозяйства и сельских дел Китайской Народной Республики, в которой говорится о селекции картофеля на лучшую азотную эффективность.
Азот (N), краеугольный камень роста и развития растений, тесно связан с биосинтезом жизненно важных молекул, включая нуклеиновые кислоты, белки, хлорофилл, алкалоиды, витамины и гормоны. Усвоение достаточного количества N, имеющегося в почве в основном в неорганической (например, нитрат и аммоний) и органической (например, мочевина, аминокислоты и пептиды) формах, имеет решающее значение для оптимального роста растений.
Несмотря на его изобилие, ограниченная доступность этих форм N часто ограничивает урожайность, делая разумное использование азотных удобрений в сельском хозяйстве незаменимым. Однако зачастую фермеры прибегают к чрезмерному внесению химических азотных удобрений, что увеличивает производственные затраты и создает серьезные экологические проблемы. Только 30–50% применяемого азотного удобрения эффективно усваивается сельскохозяйственными культурами, а остальная часть способствует загрязнению атмосферы за счет выбросов закиси азота — мощного парникового газа — или усугубляет эвтрофикацию за счет выщелачивания в водные системы.
На фоне увеличения мирового спроса на продовольствие, обусловленного постоянно растущим населением, разработка генотипов сельскохозяйственных культур, характеризующихся повышенной эффективностью использования азота (nitrogen use efficiency — NUE), представляет собой многообещающую стратегию.
Такие NUE-генотипы обладают потенциалом для оптимизации поглощения и использования азота, тем самым смягчая воздействие на окружающую среду, связанное с азотными удобрениями, и одновременно повышая производительность сельского хозяйства.
NUE — сложный признак, на который влияют генетические и экологические факторы, охватывающий такие процессы, как поглощение, ассимиляция и ремобилизация азота. Например, у зерновых культур часто определяют NUE с точки зрения урожайности зерна относительно количества внесенного азотного удобрения, мера, которая направляла исследования и селекционные усилия на протяжении десятилетий.
Идеальный азотно-эффективный генотип должен иметь как высокую эффективность использования азота, так и сильную эффективность поглощения.
Поэтому необходимо провести комплексную оценку на основе нескольких показателей азотной эффективности, что поможет в выборе генотипов, учитывающих как поглощение, так и использование азота. Недавние достижения в понимании генов, участвующих в транспорте и метаболизме N, пролили свет на механизмы, которые облегчают использование N различными видами растений, включая модельное растение Arabidopsis, рис, хлопчатник и кукурузу, прокладывая путь для целевых генетических вмешательств для повышения NUE.
Несмотря на прогресс в выявлении генов, реагирующих на N, и регуляторных сетей, которые модулируют рост растений в ответ на доступность N, молекулярные основы восприятия и сигнализации N остаются в значительной степени неизученными, что представляет собой критический пробел и необходимость постоянного изучения молекулярных основ NUE для открытия новых путей повышения эффективности, с которой культуры используют азот.
Картофель, занимающий третье место среди важнейших продовольственных культур в мире после риса и пшеницы, играет ключевую роль в обеспечении продовольственной, пищевой и экономической безопасности во всем мире.
Азот оказывает сильное влияние на рост растений картофеля, урожайность и качество клубней. Картофель требует больших затрат и значительного внесения азотных удобрений для получения удовлетворительных урожаев, но часть азота теряется, как подчеркивалось выше. Поэтому разработка сортов картофеля с улучшенной NUE имеет решающее значение для снижения зависимости от азотных удобрений и содействия устойчивым методам ведения сельского хозяйства.
Кроме того, зародышевая плазма дикого картофеля превзошла обычные сорта с точки зрения NUE, в частности, это касается S. chacoense, S. commersonii, S. kurtzianum, S. microdontum и S. phureja, и было высказано предположение, что высокоаффинный транспортер нитрата в корнях картофеля является перспективным геном-кандидатом для управления поглощением и транспортом азота.
Используя CRISPR/Cas9 и другие фундаментальные методы редактирования, становится возможным повысить эффективность использования азота в растениях. Эти исследования способствуют пониманию генетической основы NUE картофеля и предлагают генетические идеи для разработки сортов картофеля с повышенной эффективностью использования азота. Интеграция транскриптомного и метаболомного анализов предлагает многообещающий путь для анализа сложных биологических систем растений.
«В настоящем исследовании мы изучили метаболические пути и регуляторные сети, опосредующие передачу сигнала низкого N в картофеле, используя как транскриптомику, так и метаболомику. Сосредоточившись на листьях и корнях через 45 дней после посадки, мы оценили растения в условиях низкого и стандартного внесения азотных удобрений. Целью было очертить механизмы адаптивного ответа картофеля на различные уровни N, уделяя особое внимание динамике листьев и корней в использовании питательных веществ. С помощью этого комплексного аналитического подхода наше исследование направлено на то, чтобы пролить свет на сложные молекулярные диалоги, которые управляют использованием N в картофеле, потенциально прокладывая путь к достижениям в управлении урожаем и стратегиях генетического улучшения», пишут авторы научной работы.
Это исследование было проведено на экспериментальной базе Академии сельскохозяйственных и животноводческих наук Внутренней Монголии в Хух-Хото, Внутренняя Монголия, Китай, в течение сезона выращивания картофеля 2019–2021 гг.
Для полевых экспериментов была реализована схема с разделенными участками, при этом обработки азотом формировали основные участки. Мочевина (46,0% N) использовалась для удобрения растений при общих нормах подачи азота. Были определены следующие участки: 0 кг N на квадратный гектометр (то есть, без азотных удобрений, контроль), 150 кг N/ hm2 (низкий N, LN) и 300 кг N/ hm2 (нормальный N, NN).
Сорта картофеля, используемые в опыте, включали N-эффективный генотип Xisen 6 (XS6) и N-неэффективный генотип Neishu 7 (NS7), которые различаются по урожайности, но имеют схожий период цветения. Каждый участок имел размер 27 м2 и состоял из 5 рядов, каждый из которых имел длину 6 м и был расположен на расстоянии 0,9 м друг от друга, что приводило к плотности 45 000 растений на квадратный гектометр.
Примерно две трети азотного удобрения вносили в почву в твердом виде перед вспашкой и посадкой вместе с 180 кг на hm2 P 2 O 5 и 300 кг на hm2 K 2 O. Оставшаяся треть азотного удобрения вносилась посредством фертигации на стадии рассады.
«Наше исследование показывает, что XS6 демонстрирует более высокое содержание хлорофилла и N, повышенную урожайность клубней и повышенную способность к усвоению N в условиях стресса LN по сравнению с NS7. С помощью анализа транскриптома мы идентифицировали критические гены, участвующие в метаболизме, которые имели более высокую экспрессию в XS6. Значимым открытием стал ген высокоаффинного транспортера нитрата 2.7, который показал повышенную экспрессию в XS6, что предполагает его ключевую роль в повышении NUE. Метаболомный анализ дополнительно дополнил эти результаты, выявив сложное изменение 1252 метаболитов под воздействием LN-стресса, подчеркивая динамическое взаимодействие между метаболизмом углерода и N в борьбе с дефицитом азота. Интеграция транскриптомных и метаболомных данных подчеркнула решающую роль трегалозы в смягчении дефицита N и повышении NUE. Это исследование дает новое понимание молекулярных механизмов, управляющих NUE в картофеле, предлагая ценные перспективы для молекулярной селекции с целью повышения NUE в картофеле и, возможно, других культурах», пишут в выводах авторы исследования.
По статье группы авторов (Руй Се, Сяолей Цзинь, Цзин Фан, Шули Вэй, Цзе Ма, Ин Лю, Юйчэнь Чэн, Лиюй Чэнь, Цзявэй Лю, Яньань Лю, Чжиган Хань, Бинью Го, Цзиншань Го, Сяоцин Чжао, Сянцянь Чжан, Чжаньюань Лу), опубликованной в журнале Agronomy 2024 на портале www.mdpi.com.
Заглавное фото: Лукьянов Дмитрий, AgroXXI.ru.
