Peulvruchten zijn een veel geconsumeerde plantenfamilie die dient als een belangrijke bron van voedingseiwitten, vezel, en andere essentiële voedingsstoffen. Ze verkrijgen stikstof via een gespecialiseerd proces dat bekend staat als nodulatie, een symbiotische samenwerking waarbij bodembacteriën de wortel van een plant infecteren, bolvormige knobbeltjes vormen, en stikstof omzetten in een plantvriendelijke vorm. Begrijpen hoe nodulatie wordt gereguleerd, kan milieu-inspanningen helpen om de efficiëntie van peulvruchten te verbeteren en de behoefte aan chemische meststoffen te verminderen.

In een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie , onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba hebben nu een belangrijke genetische route geïdentificeerd in de peulvrucht Lotus japonicus die nodulatie regelt als reactie op stikstofniveaus in de bodem.

Stikstof is een essentieel element voor alle levende organismen, zoals het wordt gebruikt om de organische bouwstenen van het leven te maken:DNA, RNA, en eiwit. Voor peulvruchten, het verkrijgen (of "vastzetten") van stikstof via knobbeltjes kost geld, omdat de plant energie en middelen nodig heeft om de bacteriën in stand te houden. Door deze wisselwerking peulvruchten moeten een fijn afgestemde balans van nodulatie behouden.

"Wortelknobbeltjes vormen zich als reactie op lage bodemniveaus van vaste stikstofmoleculen zoals nitraat, " legt hoofdauteur Hanna Nishida uit. "Wanneer de concentratie van bodemnitraat toeneemt, peulvruchten kunnen reageren door wortelknobbeling te remmen. Het mechanisme van deze reactie was onbekend, Hoewel, dus ons doel was om vast te stellen hoe nitraatafhankelijke regulering in deze planten plaatsvindt."

Het onderzoeksteam voerde een genetische screening uit, chemisch muteren van L. japonicus-genen en zoeken naar mutaties waardoor knobbeltjes niet meer reageerden op nitraat. Ze vonden een gen, die ze nitraat niet-reagerende symbiose 1 (NRSYM1) noemden, dat wanneer gemuteerd ervoor zorgt dat de peulvrucht doorgaat met het vormen van nieuwe knobbeltjes, zelfs als er nitraat in de grond zit. In aanvulling, ze ontdekten dat dezelfde mutatie de regulatie van knobbeltjes verstoort op verschillende andere belangrijke controlepunten - in NRSYM1-deficiënte planten, nitraat kan de groei van bestaande knobbeltjes niet meer voorkomen, voorkomen dat knobbeltjes stikstof fixeren, of om te voorkomen dat bacteriën de wortels in de eerste plaats infecteren.

Na de essentiële rol van NRSYM1 te hebben bevestigd, het team ging op zoek naar hoe het zijn talrijke effecten op nodulatie uitvoert. Ze stelden vast dat NRSYM1 codeert voor een transcriptiefactor - een eiwit dat, in aanwezigheid van nitraat, activeert direct een ander gen dat de vorming van nieuwe knobbeltjes stopt. Hoewel het verband tussen NRSYM1 en de andere controlepunten nog onduidelijk is, de onderzoekers geloven dat hun studie de basis legt voor toekomstige ontdekkingen.

"De controle van wortelnodulatie is een complex proces waarbij waarschijnlijk meerdere signaalroutes betrokken zijn, " overeenkomstige auteur Takuya Suzaki merkt op. "Onze bevinding dat NRSYM1 een nitraatgevoelige regulator van genexpressie is, is belangrijk, omdat het de deur opent naar het vinden van andere genetische doelen die door deze factor worden gereguleerd. We zien dit als een belangrijke stap voorwaarts om te begrijpen hoe peulvruchten reageren op bodemstikstof, en we zijn hoopvol dat dit zal helpen bij het informeren van fokprogramma's en genetische manipulatie-inspanningen die gericht zijn op het verbeteren van de gewasefficiëntie."