Praktyki rolnicze przemysłowe często wyczerpują glebę ważnych składników odżywczych i minerałów, pozostawiając rolników polegających na sztucznych nawozach w celu wsparcia wzrostu roślin. W rzeczywistości użycie nawozów było ponad czterokrotnie od lat 60. XX wieku, ale ma to poważne konsekwencje. Produkcja nawozów spożywa ogromne ilości energii, a jej użycie zanieczyszcza wodę, powietrze i ziemia.
Biolodzy roślin w Salk Institute proponują nowe rozwiązanie, które pomogą wyrzucić ten niezrównoważony nawóz nawozów.
W nowym badaniu naukowcy zidentyfikowali kluczową cząsteczkę wytwarzaną przez korzenie roślin, mały peptyd o nazwie CLE16, który zachęca rośliny i korzystne grzyby glebowe do interakcji. Mówią, że zwiększenie tego symbiotycznego związku, w którym grzyby zapewniają mineralne składniki odżywcze dla roślin poprzez suplementację CLE16, może być bardziej naturalnym i zrównoważonym sposobem zachęcania do wzrostu upraw bez użycia szkodliwych sztucznych nawozów.
Odkrycia zostały opublikowane w Proceedings of National Academy of Sciences 18 kwietnia 2025 r.
„Wiele roślin ewoluowało, aby angażować się w symbiotyczne relacje z innymi gatunkami, ale techniki hodowli przemysłowej osłabiły wiele cech symbiozy we współczesnych uprawach i umocniły ich zależność od nawozów chemicznych”-mówi starsza autorka Leny Mueller, adiunkt At Salk. „Przywracając naturalną symbiozę między korzeniami roślin i grzybami, moglibyśmy pomóc uprawom uzyskać potrzebne składniki odżywcze bez użycia szkodliwych nawozów”.
W tym wzajemnie korzystnym związku, przenoszony przez glebę grzybami z mikoryzowych roślin z wodą i fosforami, które rośliny akceptują w zamian za cząsteczki węgla. Te wymiany występują przez wyspecjalizowane symbiotyczne wąsy grzybowe, zwane Arbuscules, zakopując się w komórkach korzeni roślin. Około 80% roślin może w ten sposób handlować zasobami z grzybami. Jednak cechy wspierające tę symbiozę były osłabione przez stulecia hodowli roślin rolnych, które priorytetowo traktowały tworzenie upraw o największych plonach.
Naukowcy Salk twierdzą, że nowe odmiany upraw można wyhodować w celu ponownego wzmocnienia tych cech – okazja, którą zamierzają zbadać za pośrednictwem inicjatywy instytutu.
Aby rozpocząć odkrywanie i wzmacnianie tych cech, laboratorium Muellera zaczęło od uprawy gatunku grzybów mikoryzowych wraz z Medicago Truncatula, małym śródziemnomorskim rośliną strączkową. Gdy obaj utworzyli związek symbiotyczny, naukowcy starali się zobaczyć, jakie geny popierają tę interakcję.
Wspadły zaczęły wyrażać duże ilości małej cząsteczki sygnałowej o nazwie CLE16 – członek rodziny peptydów CLE. Te małe cząsteczki sygnalizacyjne są obecne u wielu gatunków roślin, ale były stosunkowo niedopuszczalne. Do CLE16 jedyni badali naukowcy z roślin Cle Peptydes działali przeciwko symbiozie.
„Znaleźliśmy pierwszy roślinny peptyd, który faktycznie faworyzuje i promowała symbiozę” – mówi pierwszy autor Sagar Bashial, absolwent laboratorium Muellera. „Z perspektywy naukowej jest naprawdę ekscytujące, aby uzyskać tak zaskakujący nowy wgląd w te peptydy. To ogromny krok w kierunku osiągnięcia zrównoważonych relacji roślinnych w terenie”.
Aby potwierdzić, że CLE16 promuje symbiotyczny związek, Bashiyal dodał nadmiar Cle16 do gleby, aby zobaczyć, co się stanie. Dodatkowa dawka CLE16 spowodowała, że arbuscule grzybicze stały się bardziej solidne i dłuższe, ostatecznie zwiększając obfitość tych struktur przetrwania składników odżywczych w korzeniach. Rezultatem było samo wysyłanie sygnału pro-symbiozy: im bardziej korzystny grzyb rozszerzył się w korzeniach, tym więcej CLE16 został wyprodukowany przez roślinę, która następnie promowała jeszcze większą kolonizację grzybów.
Następnie zespół przeprowadził szereg eksperymentów, aby zrozumieć, w jaki sposób CLE16 zachęcał do tej interakcji między roślinami i korzystnymi grzybami. Ich odkrycia ujawniły, że CLE16 promuje symbiozę poprzez białko sygnalizacyjne Coryne (CRN), składnik kompleksu receptora Clavata znanego z roli w reakcjach roślin na środowisko.
Gdy roślina stresuje się, wchodzi do podwyższonego stanu odpornościowego, aby chronić się przed dalszymi zagrożeniami. To jednak nieumyślnie sprawia, że roślina jest mniej wrażliwa na otaczające grzyby. Mueller przewiduje, że gdy CLE16 wiąże się z kompleksem receptora CRN-CLAVATA, zmniejsza to poziom stresu roślin i reaktywność immunologiczną, umożliwiając korzystnemu grzybowi wejście do korzeni roślin i rozpoczęcie wymiany składników odżywczych.
Co ważne, zespół Muellera wykazał, że wiele grzybów z mikoryzowych arbuscularnych produkuje również własne peptydy podobne do CLE16, które również promowały symbiozę po dodaniu do gleby. Naukowcy uważają, że te grzybowe peptydy naśladują własne peptydy CLE16 roślin, umożliwiając w ten sposób korzystne grzyby amplifikowania symbiozy poprzez wiązanie z tym samym kompleksami receptora CRN-CRN-CLAVATA.
Dzięki walidacji, że zarówno suplementacja peptydowa podobna do CLE16, jak i grzybowa CLE16, poprawiła symbiozę, podobna suplementacja na polach uprawnych może być rozwiązaniem rozpoczęcia rozwoju sieci grzybiczych, które przynoszą uprawy z roku po roku.
Przyszłe prace potwierdzi, czy peptydy CLE16, czy grzybowe mimiki peptydowe podobne do CLE16 promują również symbiozę w ważnych uprawach, takich jak soja, kukurydza lub pszenica. Jeśli tak, wykorzystują te cząsteczki w celu zastąpienia niezrównoważonych, rozpocznie się zanieczyszczenie nawozów chemicznych korzystnym grzybami.
„Poza działaniem jako nawóz biologiczny, grzyby mikoryzowe arbuskularne dodają również warstwę naturalnej ochrony roślinom, które mogłyby pomóc nam również zmniejszyć stosowanie pestycydów” – mówi Mueller. „Jeśli uda nam się wykorzystać korzystne grzyby i inne drobnoustroje, aby pomóc roślinom w ustanowieniu tych symbiotycznych relacji, w dłuższej perspektywie możemy uczynić nasze uprawy, pola i gleby bardziej zrównoważone i zdrowsze”.
Prace były wspierane przez fundusze start-up z University of Miami i Hess Foundation, a także National Institute of Food and Agriculture Department of Food i Rolnictwo w Stanach Zjednoczonych (2022-67013-42820).