Гены с фиксацией азота могут помочь генерировать больше еды

Исследование, проведенное Университетом штата Вашингтон, направлено на то, чтобы помочь фермерам по всему миру использовать меньше искусственных удобрений для выращивания важных пищевых культур, таких как пшеница, кукуруза и соя.

Ученые из Университета штата Вашингтон (WSU) изучили и модифицировали гены бактерий-колонизаторов, обитающих в тканях растений и помогающих им извлекать азот из воздуха и превращать его в аммиак – естественное удобрение.

«Сегодня довольно активно растет интерес к поиску путей уменьшения количества удобрений, используемых в сельском хозяйстве. Во-первых, такие добавки достаточно дорогие. Во-вторых, они оказывают негативное воздействие на окружающую среду. В-третьих, для их использования требуется чересчур много времени, рабочей силы и энергии», – сказал Джон Питерс, директор Института биологической химии WSU и соавтор исследования. – «И огромное значение на фоне этого приобретает разработка способов увеличения эффективности биологической фиксации азота. Интерес к поиску таких способов получать азот из воздуха, не прибегая к искусственным добавкам, отмечается среди фермеров и селекционеров практически по всему миру».

Как бобовые получают азот

Согласно официальной информации исследования, проведенные группой ученых из WSU, были направлены на изучение симбиотического взаимодействия бактерий и бобовых культур. Это один из наиболее известных способов обогатить почву азотом – фермеры традиционно высаживают бобовые на своих плантациях.

Культуры, такие как нут и чечевица, нуждаются в значительно меньшем количестве удобрений, чем другие культуры, поскольку у них сложились симбиотические отношения с бактериями, которые содержатся в тканях их корневой системы. Исследования показывают, что такие бактерии превращают газообразный азот в аммиак в результате процесса, называемого биологической фиксацией азота.

Бактерии берут азот из воздуха и превращают его в азотсодержащее соединение для растений, которые используют его в процессе роста. Растения в свою очередь обеспечивают бактерий углеродом и другими питательными веществами.

Чтобы работать симбиотически, бобовые культуры и микробы длительное время развивались совместно, чтобы выработать полноценную систему взаимно понятных сигналов. Растения выделяют химические вещества, которые сигнализируют бактериям, когда им нужен фиксированный азот, а затем бактерии производят аналогичные сигналы, чтобы растения знали, когда им нужен углерод.

Снижение зависимости от удобрений

Чтобы получить возможность синтетически повторить такой симбиоз между другими бактериями и сельскохозяйственными культурами, была проведена работа по определению группы генов в бактериях, которые обеспечивают фиксацию азота. После их выявления такие гены необходимо привить другим микроорганизмам.

«Это всего лишь один шаг, хотя и большой, на пути к выяснению того, как можно увеличить вклад биологической фиксации азота в растениеводство», – сказал Джон Питерс.  Он отмечает, что глобальная задача этого проекта – вклад в увеличение объемов производства продуктов питания и помощь в обеспечении продовольствием стабильно увеличивающейся численности населения. По словам Питерса, если удастся внедрить систему производства продуктов питания без использования искусственных азотных удобрений, то это, безусловно, станет значимым событием во всей пищевой промышленности. Более всего от этого выиграет сельское хозяйство слабо развитых стран, аграрии которых не могут платить серьезные суммы за синтетические составы.

Сложный вызов

Лаборатория Питерса специализируется на изучении метаболических процессов, протекающих в клетках бактерий, а также на том, как они генерируют и используют энергию. По результатам последнего исследования его лаборатория составила подробный план функционирования механизма азотной фиксации в различных организмах. Теперь соавторы Питерса, специалисты в области синтетической биологии из Массачусетского технологического института, планируют разработать технологии обучения этому механизму других микробов и установления симбиотических отношений между ними и растительными культурами.

 «Это по-настоящему сложная, многоаспектная задача, для решения которой требуется участие большой команды специалистов из различных научных областей», – сказал Питерс. – «Но если мы добьемся успеха, то полученный результат может быть иметь большое положительное значение для всей планеты».