Вчені знайшли природну альтернативу хімічним добривам

Науковці з Інституту Салка ідентифікували ключову молекулу, що сприяє взаємовигідним відносинам між корінням рослин та ґрунтовими грибами, відкриваючи можливість зменшення залежності сільського господарства від штучних добрив.

Image By svstudioart

Сучасне індустріальне сільське господарство має значну проблему. Воно виснажує ґрунт поживними речовинами та мінералами. Така практика змушує фермерів застосовувати штучні добрива. Використання цих добрив з 1960-х років зросло більш ніж у чотири рази.

Виробництво добрив споживає величезну кількість енергії. Вони також забруднюють воду, повітря та землю. Негативні наслідки промислового землеробства стають дедалі очевиднішими для довкілля.

Опубліковане 18 квітня 2025 року в журналі The Proceedings of the National Academy of Sciences дослідження пропонує інноваційне вирішення проблеми. Воно ґрунтується на природних механізмах. Вчені вивчали взаємодію між рослинами та корисними ґрунтовими грибами.
Відкриття пептиду CLE16
Дослідники визначили невеликий пептид під назвою CLE16. Його виробляє коріння рослин. Цей пептид заохочує рослини та ґрунтові гриби взаємодіяти. Така співпраця є природною та корисною для обох сторін.

"Багато рослин еволюціонували,

щоб вступати в симбіотичні відносини з іншими видами," – говорить Лена Мюллер, старший автор дослідження. Вона додає, що промислові методи селекції послабили ці ознаки в сучасних культурах, створивши залежність від хімічних добрив.

Відновлення природного симбіозу між корінням рослин і грибами може мати широкі наслідки. Це допоможе культурам отримувати необхідні поживні речовини без шкідливих добрив. Такий підхід узгоджується з принципами сталого землеробства.

У цих взаємовигідних відносинах ґрунтові гриби постачають рослинам воду і фосфор. Рослини у відповідь надають грибам молекули вуглецю. Цей обмін здійснюється через спеціальні грибні структури, що називаються арбускулами.
Природний симбіоз у сільському господарстві
Приблизно 80% рослин здатні обмінюватися ресурсами з грибами. Проте ця здатність поступово зникала під час селекції. Селекціонери зосереджувалися на максимальній врожайності, нехтуючи симбіотичними властивостями.

Науковці Інституту Салка вважають, що можна вивести нові сорти культур. Вони матимуть посилені симбіотичні ознаки. Цю можливість планують дослідити в рамках ініціативи "Використання рослин".

Для початку робіт команда вирощувала арбускулярний мікоризний гриб разом з Medicago truncatula. Це невелика середземноморська бобова рослина. Після формування симбіозу дослідники почали вивчати задіяні гени.

Вони виявили, що бобові рослини експресують значну кількість молекули CLE16. Це представник родини пептидів CLE, присутніх у багатьох видах рослин. До цього відкриття відомі пептиди CLE діяли проти симбіозу.
Унікальні властивості CLE16
"Ми знайшли перший рослинний пептид CLE, який насправді сприяє симбіозу," – зазначає перший автор Сагар Баш'ял. Він аспірант лабораторії Мюллера. Це відкриття надає нове розуміння пептидів і наближає досягнення сталих взаємовідносин у польових умовах.

Щоб підтвердити властивості CLE16, дослідники провели серію експериментів. Вони додали надлишок пептиду в ґрунт. Додаткова доза спричинила посилення грибних арбускул. Вони стали міцнішими і жили довше.

Результатом став сигнал симбіозу, що самопідсилюється. Чим більше гриб розростався в коренях, тим більше CLE16 виробляла рослина. Це сприяло ще більшій колонізації гриба. Такий цикл підсилення становить основу стабільного симбіозу.

Подальші експерименти показали механізм дії CLE16. Пептид сприяє симбіозу через сигнальний білок CORYNE (CRN). Цей білок входить до складу рецепторного комплексу CLAVATA, відомого своєю роллю в реакціях рослин на середовище.
Механізм дії та практичне застосування
Рослини під час стресу переходять у стан підвищеного імунітету. Це захищає їх від загроз, але робить менш сприйнятливими до корисних грибів. CLE16 змінює цю динаміку.

Зв'язування CLE16 з рецепторним комплексом CRN-CLAVATA знижує стрес та імунну реактивність рослин. Це дозволяє корисним грибам проникати в коріння. Після цього починається обмін поживними речовинами між організмами.

Команда Мюллера зробила ще одне важливе відкриття. Багато арбускулярних мікоризних грибів також виробляють подібні пептиди. Ці грибні пептиди також сприяють симбіозу при додаванні в ґрунт.

Дослідники вважають, що грибні пептиди імітують рослинні CLE16. Вони зв'язуються з тими самими рецепторними комплексами рослин. Це дозволяє грибам посилювати симбіоз природним шляхом.
Перспективи для сталого землеробства
Підтвердження користі як рослинних CLE16, так і грибних пептидів відкриває цікаві можливості. Подібні добавки на сільгоспугіддях могли б запускати ріст грибних мереж. Такі мережі приносять користь культурам протягом багатьох років.

Майбутні дослідження мають показати ефективність цих пептидів для основних культур.

Серед них соя, кукурудза та пшениця. Успіх дозволить замінити хімічні добрива корисними грибами.

"Окрім того, що арбускулярні мікоризні гриби діють як біологічне добриво, вони також додають рослинам шар природного захисту," – пояснює Мюллер. Це може зменшити використання не лише добрив, але й пестицидів.

Використання корисних грибів та інших мікробів матиме широкі наслідки. Воно зробить врожаї, поля і ґрунти більш стійкими. Покращиться загальне здоров'я агроекосистем у довгостроковій перспективі.

Дослідження фінансували стартові фонди Університету Маямі та Фонд Гесса. Додаткову підтримку надав Національний інститут продовольства і сільського господарства США. Це свідчить про значний інтерес до розвитку сталих сільськогосподарських технологій.