Поля наконец заговорили: новая пшеница сама создаёт азот и рушит рынок удобрений

Пшеница сама получает азот из воздуха — Plant Biotechnology Journal

Учёные сделали шаг, который ещё недавно казался невозможным: пшеница, способная частично обеспечивать себя удобрениями, стала реальным достижением биотехнологии. Исследование открывает путь к снижению использования синтетических подкормок и уменьшению экологической нагрузки. Новая технология может значительно изменить мировую агросистему и укрепить продовольственную устойчивость в регионах с бедными почвами. Источник: Plant Biotechnology Journal.

Появление пшеницы, способной производить часть собственных удобрений

Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе разработали сорт пшеницы, который выделяет химические вещества, активирующие азотфиксирующие бактерии в почве. Эти микроорганизмы превращают атмосферный азот в соединения, доступные растениям, что уменьшает зависимость от минеральных удобрений. Такой подход может радикально изменить стратегию выращивания зерновых в регионах, где фермеры сталкиваются с нехваткой ресурсов.

Команда профессора Эдуардо Блюмвальда использовала редактирование генов CRISPR для усиления синтеза природного соединения, которое выделяют корни. Оно помогает бактериям выживать и формировать биоплёнки — защитные структуры, позволяющие ферменту нитрогеназе работать в условиях низкого содержания кислорода. В результате растения лучше усваивают азот и могут получать часть питания естественным способом.

"На протяжении десятилетий учёные пытались вывести зерновые культуры, которые образуют активные корневые клубеньки, или заселить зерновые азотфиксирующими бактериями, но без особого успеха. Мы использовали другой подход", — сказал Блюмвальд.

Такой подход позволил обойти биологические ограничения культур, которые не могут формировать клубеньки, подобные тем, что есть у бобовых растений.

Значимость для продовольственной безопасности

Отсутствие удобрений остаётся одной из ключевых причин низкой урожайности в бедных странах. Новый сорт пшеницы способен частично компенсировать этот дефицит, помогая даже небольшим хозяйствам получать стабильный урожай.

"В Африке люди не используют удобрения, потому что у них нет денег, а фермы там маленькие, не больше шести-восьми акров", — сказал Блюмвальд.

"Представьте, что вы сажаете культуры, которые естественным образом стимулируют бактерии в почве вырабатывать необходимые для растений удобрения. Ух ты! Это большая разница!", — добавил Блюмвальд.

Успех пшеницы стал продолжением предыдущей работы исследовательской команды с рисом. Сейчас ведутся исследования, способные адаптировать технологию и для других зерновых культур, что значительно расширит её применение.

Проблема азотных удобрений

Пшеница — одна из наиболее потребляющих азотные удобрения культур. Однако растения усваивают в среднем лишь 30-50 % внесённого азота. Непоглощённая часть уходит в водоёмы, формируя зоны с низким содержанием кислорода, что наносит ущерб экосистемам. Кроме того, избыток азота повышает выбросы оксида азота — одного из сильных парниковых газов.

Бобовые растения решают эту проблему естественным образом, формируя клубеньки, создающие низкокислородную среду для азотфиксирующих бактерий. Пшеница же такой способности не имеет, поэтому фермеры традиционно используют минеральные удобрения, что приводит к дополнительным экономическим и экологическим затратам.

"Мы заявили, что расположение азотфиксирующих бактерий не имеет значения, если фиксированный азот может попасть в растение и растение может его использовать", — сказал Блюмвальд.

Именно эта идея стала отправной точкой для поиска химических соединений, которые способны поддерживать бактерии, даже если те находятся не внутри клубеньков, а в почве.

Как нашли решение: ключевая роль природных соединений

Учёные исследовали 2800 соединений, которые растения выделяют естественным образом, и выявили 20 веществ, стимулирующих образование биоплёнок бактерий. Эти плёнки защищают фермент нитрогеназу, позволяя ей функционировать при крайне низком уровне кислорода.

Исследователи определили гены, регулирующие синтез ключевых веществ, и модифицировали пшеницу методом CRISPR, чтобы она вырабатывала больше флавона апигенина. Корни выделяют его в почву, где он стимулирует бактерии образовывать биоплёнки и фиксировать азот.

В ходе экспериментов модифицированная пшеница на бедных почвах и при минимальном внесении удобрений давала более высокую урожайность, чем контрольные растения, что подтверждает эффективность подхода.

Сравнение: традиционная и инновационная пшеница

Чтобы оценить потенциал новой технологии, важно сравнить её с привычными методами выращивания.

Традиционная пшеница полностью зависит от минеральных удобрений.
Модифицированная пшеница использует природный механизм фиксации азота.
Потери азота в окружающую среду значительно снижаются.
Урожайность остаётся более устойчивой в условиях нехватки питательных веществ.

Плюсы и минусы инновации

Плюсы:

снижение зависимости от минеральных удобрений
уменьшение риска загрязнения водных ресурсов
повышение устойчивости сельского хозяйства в бедных регионах
улучшение урожайности на почвах с дефицитом азота

Минусы:

необходимость внимательного регулирования ГМО
возможные различия в эффективности на разных типах почв
постепенный характер внедрения технологии
зависимость результатов от характеристик микрофлоры

Советы по использованию инновационных сортов

Чтобы получить максимальный эффект от нового сорта пшеницы, стоит учитывать особенности почвы и климатические условия.

Оценивать состояние почвы перед внедрением новых сортов.
Использовать инновационные культуры в регионах, где удобрения недоступны.
Совмещать технологию с устойчивыми практиками: севооборотом, мульчированием, минимальной обработкой.
Мониторить урожайность и корректировать систему питания растений по результатам наблюдений.