Упрощение генетического переноса фиксации азота в продовольственные культуры

Пищевая продуктивность зависит от доступности удобрений. Азот необходим для выживания, но люди не могут усваивать его из воздуха — мы получаем его из белка в пище.

Более века назад процесс Габера-Боша позволил преобразовывать атмосферный азот в форму, пригодную для промышленного производства удобрений. Это привело к резкому росту производства пищи и населения планеты. Однако в некоторых регионах, например в Африке к югу от Сахары, отсутствует инфраструктура для импорта, распределения или производства удобрений.

С 2019 года биохимики Лэнс Сифелдт и Чжи-Йонг Ян из Университета штата Юта совместно с коллегами из Испании и США работают над перепроектированием биологии злаковых культур (кукурузы, риса), чтобы они могли самостоятельно фиксировать азот из воздуха с помощью солнечного света, без внесения удобрений.

В статье, опубликованной 6 ноября 2024 года в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда сообщает об обнаружении более простого пути. Для этого требуется новый установленный минимум из семи генов, которые позволяют растительной клетке производить фермент для преобразования газа N₂ из воздуха в удобрение.

Цель — внедрить гены в митохондрии и хлоропласты культур, чтобы они генерировали достаточно энергии для фиксации азота. Это означает, что основные калорийные культуры (рис, кукуруза, картофель) могли бы иметь «встроенное удобрение».

Изначально команда сократила необходимое число генов до девяти, но к своему удивлению обнаружила, что гены, считавшиеся критически важными «посредниками», можно исключить.

Значение открытия:

• Экология: Процесс Габера-Боша имеет тяжёлый углеродный след — почти 2% мировых запасов ископаемого топлива идёт на производство удобрений, что сильно загрязняет окружающую среду.
• Продовольственная безопасность: Технология может помочь в борьбе с голодом в труднодоступных и менее развитых регионах, а также в зонах, страдающих от засух.
• Космические исследования: Знание также продвигает исследования по производству пищи за пределами Земли, например, для длительных миссий на Марс.

Работа продолжается: «По кусочкам мы выясняем, какие гены и их комбинации необходимы для достижения фиксации азота в разных клетках. Мы пытаемся заиграть целому оркестру, а не одному инструменту».