Производство искусственных азотных удобрений потребляет около 2% всей мировой энергии и выбрасывает огромные объемы CO2 в атмосферу. Большинство сельскохозяйственных культур — пшеница, кукуруза, рис — полностью зависят от этих удобрений. Но некоторые растения, такие как горох, клевер и бобы, обходятся без них благодаря особым бактериям, которые превращают атмосферный азот в аммиак, который растения могут усвоить.
Генетический переключатель даст возможность отказаться от азотных удобрений
Ученые из Орхусского университета, Дания обнаружили молекулярный механизм, позволяющий бобовым растениям получать азот из воздуха с помощью синтеза с азотфиксирующими бактериями. В отличие от бобовых зерновым культурам требуются миллионы тонн азотных удобрений. Ученые показали, что всего две аминокислоты в рецепторном белке корней определяют, будет ли растение отвергать бактерии или вступит с ними в симбиоз для фиксации азота. Это открытие может полностью изменить земледелие.
Ячмень – одна из культур, которая положительно реагирует на генетическую модификацию, позволяющую ей фиксировать азот из воздуха посредством симбиоза с бактериями. Википедия
Симбиоз бобовых растений с бактериями существует миллионы лет. Бактерии рода Rhizobium проникают в корни и образуют специальные структуры — клубеньки, где происходит превращение атмосферного азота в аммиак. Растение получает жизненно необходимый элемент, а бактерии — углеводы и защищенную среду. Этот процесс настолько эффективен, что некоторые бобовые могут фиксировать до 300 килограммов азота на гектар в год.
Стручки французской фасоли. Растение умеет использовать атмосферный азот.
Исследователи из Дании раскрыли генетический секрет этой способности. Они обнаружили крошечную область в рецепторном белке корней, названную Symbiosis Determinant 1, которая работает как переключатель. Этот переключатель определяет, запустит ли растение иммунный ответ против бактерий или «пригласит» их в свои корни для сотрудничества. Изменив всего две аминокислоты в этом участке, ученые заставили рецептор, обычно запускающий защитную реакцию, вместо этого инициировать симбиоз. Работа опубликована в журнале Nature.
Симбиоз лучше войны
Пшеница, главная культура, которая кормит человечество.
Эксперименты подтвердили работоспособность принципа не только на модельном растении Lotus japonicus, но и на ячмене. «Мы теперь можем взять рецептор из ячменя, внести в него небольшие изменения, и фиксация азота заработает», — отмечает соавтор работы Каспер Ройкьер Андерсен.
Перспективы открытия огромны. Если модификацию удастся перенести на злаковые культуры, человечество получит пшеницу, кукурузу и рис, способные самостоятельно обеспечивать себя азотом. «Мы на шаг ближе к более экологичному и климатически дружественному производству продовольствия», — пишут исследователи. Но, ученые предупреждают, что предстоит проанализировать и другие важные факторы, прежде чем технология начнет массово работать на полях.