Учёные из Калифорнийского университета в Дэвисе разработали растения пшеницы, способные самостоятельно способствовать образованию необходимых им удобрений. Это достижение может значительно сократить загрязнение воздуха и воды в глобальном масштабе, а также снизить расходы фермерских хозяйств.
Работа выполнена исследовательской группой под руководством Эдуардо Блумвальда, выдающегося профессора на кафедре растениеводства. Используя инструмент генного редактирования CRISPR, команда увеличила производство одного из естественных химических соединений в растении. Когда корни пшеницы выделяют избыток этого соединения в окружающую почву, оно помогает определённым бактериям преобразовывать азот из воздуха в форму, доступную для соседних растений. Этот процесс известен как фиксация азота.
Для многих развивающихся регионов это открытие может стать новой опорой для обеспечения надёжного производства сельскохозяйственных культур. Блумвальд отмечает: «В Африке люди не используют удобрения, потому что у них нет на это денег, а фермерские хозяйства невелики, не превышают шести–восьми акров. Представьте, вы высаживаете культуры, которые стимулируют бактерии в почве создавать удобрения, необходимые этим культурам, естественным путём. Вау! Это огромная разница!»
Это инновационное решение для пшеницы основывается на предыдущих успехах группы с рисом. Подобная работа уже ведётся по распространению этой технологии на другие основные зерновые культуры.
Пшеница занимает второе место в мире по продуктивности среди зерновых и потребляет наибольшую долю азотных удобрений – около 18% от общего мирового объёма. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, в 2020 году во всём мире было произведено более 800 миллионов тонн удобрений.
Растения, как правило, поглощают лишь от 30 до 50% внесённых азотных удобрений. Остальная часть часто попадает в реки и прибрежные зоны, способствуя образованию «мёртвых зон» с дефицитом кислорода, которые наносят вред водным экосистемам. Избыток азота в почве также может приводить к образованию закиси азота – мощного парникового газа.
Азотфиксирующие бактерии вырабатывают фермент под названием нитрогеназа, иногда называемый «фиксатором» за его роль в фиксации азота. Этот фермент функционирует только внутри этих бактерий и только в условиях низкого содержания кислорода. Бобовые культуры, такие как фасоль и горох, естественным образом образуют корневые клубеньки – специализированные структуры, которые создают необходимые для этих бактерий бескислородные условия.
Пшеница и большинство других культур не имеют таких клубеньков, поэтому синтетические азотные удобрения широко используются. Блумвальд рассказал: «Десятилетиями учёные пытались разработать зерновые культуры, которые производят активные корневые клубеньки, или пытались заселить зерновые азотфиксирующими бактериями, но без особого успеха. Мы применили иной подход. Мы решили, что местоположение азотфиксирующих бактерий не имеет значения, пока фиксированный азот может достигать растения, и растение может его использовать».
Исследователи изучили 2800 химических веществ, естественным образом производимых растениями, и выявили 20, которые могли бы стимулировать образование биоплёнок у азотфиксирующих бактерий. Эти биоплёнки – липкие покрытия, обволакивающие бактерии, создавая микросреду с низким содержанием кислорода, подходящую для активности нитрогеназы. Затем команда картировала, как растения синтезируют эти соединения, и определила задействованные гены.
На основе этой информации они использовали CRISPR для модификации растений пшеницы, чтобы те производили больше одного конкретного соединения – флавона под названием апигенин. Поскольку растения производят апигенина больше, чем им нужно, избыток выделяется в почву. В ходе экспериментов этот апигенин стимулировал почвенные бактерии к образованию защитных биоплёнок, позволяя нитрогеназе фиксировать азот в усвояемой форме, которую пшеница могла поглощать. В условиях очень низкого содержания азотных удобрений модифицированная пшеница также давала более высокие урожаи по сравнению с контрольными растениями.
Фермеры в США потратили почти 36 миллиардов долларов на удобрения в 2023 году, согласно оценкам Министерства сельского хозяйства США. Блумвальд отмечает, что около 500 миллионов акров земли в стране засеяны зерновыми. «Представьте, если бы можно было сэкономить 10% от количества удобрений, используемых на этой земле, – размышляет он. – Я считаю консервативно: это должна быть экономия более миллиарда долларов ежегодно».
Среди других авторов исследования – Хироми Тадзима, Акхилеш Ядав, Хавьер Идальго Кастельянос, Давэй Ян, Бенджамин П. Брукбанк и Эйдзи Намбара. Калифорнийский университет подал заявку на патент, которая в настоящее время находится на рассмотрении. Финансирование работы обеспечили Bayer Crop Science и фонд Will Lester при Калифорнийском университете в Дэвисе.
