Растения, которые удобряют себя сами

Исследователь из Университета Бригама Янга помог открыть клеточный инструмент, который некоторые растения используют для самоудобрения. Это фундаментальное понимание важно для усилий по сокращению использования 88 миллионов тонн азотных удобрений в мире ежегодно. Это, в свою очередь, может помочь снизить потребление ископаемого топлива, поскольку 3-5% мирового природного газа сжигается для производства азотных удобрений. Исследование опубликовано в журнале Science.

Фермеры ежегодно покупают 88 миллионов тонн азотных удобрений для выращивания основных культур, таких как кукуруза, пшеница и рис. На производство всех этих удобрений уходит 3-5% мирового природного газа. Это удручает, поскольку три четверти атмосферы Земли — это азот, но в форме, которую большинство культур не может использовать.

Однако некоторые растения, такие как люцерна, соя и арахис, могут, в некотором смысле, удобрять себя сами благодаря дружественной бактериальной инфекции. Эти бобовые культуры привлекают бактерии, которые «вдыхают» природный азот из атмосферы и преобразуют его в полезную форму, которую растения используют в пищу.

Профессор Университета Бригама Янга был частью команды из Стэнфорда, которая обнаружила неожиданный элемент клеточной машинерии. Эти растения используют его, чтобы отправлять молекулы в микробы и помогать им обосноваться в новом доме — в корнях растений. Исследователи сообщают о своих результатах в выпуске Science на этой неделе.

Эти открытия являются фундаментальными для данного важного процесса. Надежда заключается в том, что однажды исследователи смогут помочь бобовым и бактериям работать вместе еще эффективнее. Идеальный сценарий — использовать углубленное понимание этого процесса «фиксации» природного азота и генетически запрограммировать другие культуры (кукурузу, пшеницу и рис) на то, чтобы они также принимали эти бактерии в свои корни и могли удобрять себя сами.

«Подумайте, сколько потребления энергии можно было бы компенсировать, если бы мы могли больше полагаться на биологическую фиксацию азота, которая работает на солнечной энергии», — сказал Джоэл Гриффитс, доцент микробиологии Университета Бригама Янга и соавтор статьи в Science.

Гриффитс работал над проектом, будучи постдокторантом в лаборатории Шарон Лонг из Стэнфорда, которая также является автором. Ведущий автор — Донг Ван, постдокторант в лаборатории Лонг.

Азот необходим для жизни на Земле. Например, людям нужно 11 граммов в день по сравнению с 20 миллиграммами железа. К сожалению, весь этот азот в воздухе и почве находится в форме, химически бесполезной для большинства живых существ.

Именно поэтому этот союз между бобовыми и бактериями так уникален.

«Вот система в бобовых, которая вытягивает азот прямо из воздуха и превращает его в удобрение, — говорит Гриффитс. — Я могу дать вам одно растение с этими бактериями и одно без них, и если я не буду подкармливать второе азотным удобрением, то растения с бактериями через несколько недель будут намного крупнее и зеленее».

Отношения начинаются, когда счастливая бактерия такого типа — называемая ризобией — встречает в почве корень бобового растения и получает приглашение внутрь. Растение создает на своем корне узелок — «многоэтажное общежитие для бактерий», как говорит Гриффитс. Там растение защищает микробов и посылает им энергию, полученную в результате фотосинтеза, в обмен на полезный азот, произведенный бактериями.

«Растения лелеют этих бактерий — почти как выращивают их — и им нужно делать это очень осторожно, — сказал Гриффитс. — Мы нашли путь, по которому растения доставляют правильные молекулы бактериям, чтобы облегчить фиксацию азота».

Хотя исследование рассматривает только основы этого важного процесса, возможные будущие применения включают:

• Тонкую настройку процесса у бобовых, чтобы они были более эффективны в производстве полезного азота и, следовательно, лучше росли.
• Перенос этого процесса фиксации азота на важные культуры вне семейства бобовых в будущем.
• Углубление знаний о том, как развиваются болезни, поскольку многие гены, участвующие во взаимоотношениях бактерий и растений, также необходимы для развития бактериальных заболеваний.

«Такие исследования приближают нас к пониманию всех шагов, которые необходимы для правильной организации этого особого взаимодействия», — сказал Гриффитс.