Пшеница, которая сама производит удобрения, может снизить загрязнение и сократить расходы фермеров

Учёные из Калифорнийского университета в Дэвисе разработали растения пшеницы, стимулирующие производство собственных удобрений. Это открывает путь к снижению загрязнения воздуха и воды во всём мире, а также к сокращению расходов фермеров.

Технология, основанная на редактировании генов

Технология была разработана командой под руководством Эдуардо Блюмвальда, профессора кафедры наук о растениях. Команда использовала инструмент редактирования генов CRISPR, чтобы заставить растения пшеницы производить больше одного из своих собственных природных химических веществ. Когда растение высвобождает избыток химического вещества в почву, оно помогает определённым бактериям в почве преобразовывать азот из воздуха в форму, которую близлежащие растения могут использовать для роста. Этот процесс преобразования называется фиксацией азота.

Прорыв в области продовольственной безопасности

В развивающихся странах этот прорыв может стать стимулом для повышения продовольственной безопасности. Исследование было опубликовано в журнале Plant Biotechnology Journal.

«В Африке люди не используют удобрения, потому что у них нет денег, а фермы небольшие, не более шести-восьми акров», — сказал Блюмвальд. «Представьте себе, вы сажаете культуры, которые стимулируют бактерии в почве создавать удобрения, необходимые этим культурам, естественным путём. Вау! Вот это разница!»

Применение технологии

Прорыв в области пшеницы основан на более ранней работе команды над рисом. Исследования также ведутся для распространения этой технологии на другие злаковые культуры.

Во всём мире пшеница занимает второе место по урожайности среди злаковых культур и занимает наибольшую долю в использовании азотных удобрений, используя около 18% от общего объёма. В 2020 году было произведено более 800 миллионов тонн удобрений, согласно данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединённых Наций.

Но растения усваивают только около 30–50% азота из удобрений. Большая часть того, что они не используют, попадает в водные пути, создавая «мёртвые зоны» с недостатком кислорода, в которых задыхаются рыбы и другие водные организмы.

Бактерии, фиксирующие азот

Бактерии, фиксирующие азот, производят фермент под названием нитрогеназа, который является «фиксатором» в процессе фиксации азота. Нитрогеназа находится только в бактериях и может работать только в среде с очень низким содержанием кислорода.

Бобовые, такие как бобы и горох, имеют корневые структуры, называемые узелками, которые обеспечивают бактериям, фиксирующим азот, уютное жилище с низким содержанием кислорода. В отличие от бобовых, пшеница и большинство других растений не имеют корневых узелков. Поэтому фермеры используют азотсодержащие удобрения.

«В течение десятилетий учёные пытались разработать злаковые культуры, которые производят активные корневые узелки, или колонизировать злаки бактериями, фиксирующими азот, но без особого успеха. Мы использовали другой подход», — сказал Блюмвальд. «Мы сказали, что местоположение бактерий, фиксирующих азот, не важно, пока фиксированный азот может достичь растения, а растение может его использовать».

Как это работает

Чтобы найти обходной путь, команда сначала изучила 2800 химических веществ, которые растения производят естественным путём. Они обнаружили 20 веществ, которые, помимо других полезных для растения функций, также стимулируют бактерии к производству биоплёнок. Биоплёнки — это липкий слой, который окружает бактерии и создаёт среду с низким содержанием кислорода, позволяя нитрогеназе работать.

Учёные определили, как растение производит эти химические вещества и какие гены контролируют этот процесс. Затем команда использовала инструмент редактирования генов CRISPR, чтобы модифицировать растения пшеницы для производства большего количества одного из этих химических веществ — флавона под названием апигенин. Пшеница, теперь с большим количеством апигенина, чем ей нужно, высвобождает излишки через корни в почву. В проведённых экспериментах апигенин из пшеницы стимулировал бактерии в почве создавать защитные биоплёнки, позволяя нитрогеназе фиксировать азот, а растениям пшеницы усваивать его.

Пшеница также показала более высокую урожайность, чем контрольные растения, при выращивании в условиях очень низкой концентрации азотных удобрений.

Экономия для фермеров

Фермеры в Соединённых Штатах потратили почти 36 миллиардов долларов на удобрения в 2023 году, согласно оценкам Министерства сельского хозяйства США. Блюмвальд подсчитал, что в США около 500 миллионов акров засеяны злаковыми культурами. «Представьте себе, если бы вы могли сэкономить 10% от количества удобрений, используемых на этих землях», — размышлял он. «Я считаю консервативно: это должно составлять экономию более миллиарда долларов каждый год».

Предоставлено Калифорнийским университетом в Дэвисе.

Источник