Гены фиксации азота могут помочь выращивать больше пищи с меньшими ресурсами
Ученые перенесли набор генов в бактерии, колонизирующие растения, что позволило им поглощать азот из воздуха и превращать его в аммиак — естественное удобрение.
Эта работа может помочь фермерам по всему миру использовать меньше искусственных удобрений для выращивания важных продовольственных культур, таких как пшеница, кукуруза и соя.
Группа ученых, включая двух из Университета штата Вашингтон (WSU), опубликовала исследование "Control of nitrogen fixation in bacteria that associate with cereals" в конце прошлого месяца в Nature Microbiology.
"Растет интерес к сокращению количества удобрений, используемых в сельском хозяйстве, потому что они дороги, оказывают негативное воздействие на окружающую среду и требуют много энергии для производства", — сказал Джон Петерс, директор Института биологической химии WSU и соавтор статьи. "Существует огромная польза от разработки способов увеличения вклада биологической фиксации азота в производство сельскохозяйственных культур по всему миру".
Как бобовые получают азот
Исследование команды помогает распространить симбиотическое преимущество, обнаруженное у бобовых культур, на которые фермеры полагались веками для естественного обогащения почвы.
Бобовые культуры, такие как нут и чечевица, требуют значительно меньше удобрений, чем другие культуры, потому что у них развились симбиотические отношения с бактериями, которые растут в их корневых тканях. Эти бактерии преобразуют газообразный азот в аммиак посредством процесса, называемого биологической фиксацией азота.
Бактерии берут азот из воздуха и превращают его в аммиак для растений, которые используют его в качестве энергии для роста. Растения, в свою очередь, обеспечивают микробов углеродом и другими питательными веществами.
Для симбиотической работы бобовые и микробы эволюционировали, чтобы выделять сигналы, которые каждый может понять. Растения выделяют химические вещества, которые сигнализируют бактериям, когда им нужен фиксированный азот. Бактерии производят аналогичные сигналы, чтобы дать растениям знать, когда им нужен углерод.
Сокращение удобрений
Чтобы разработать синтетический метод для такого симбиоза между другими бактериями и культурами, ученые работали над определением групп генов в бактериях, которые обеспечивают фиксацию азота, а затем добавляли эти группы генов в другие бактерии.
"Это всего лишь один шаг, хотя и большой, на пути к пониманию того, как способствовать увеличению вклада биологической фиксации азота в производство сельскохозяйственных культур", — сказал Петерс.
Петерс и WSU являются соруководителями общего проекта вместе с его коллегой Филипом Пулом из Оксфордского университета в Великобритании.
Сокращение потребности в удобрениях может оказать огромное влияние на доступность продовольствия, использование энергии и затраты на сельское хозяйство во всем мире.
Удобрения слишком дороги для многих фермеров по всему миру. Без них многие питательные продукты не будут расти во многих районах из-за бедной азотом почвы.
"Этот проект направлен на увеличение производства продуктов питания и помощь в обеспечении продовольствием мира", — сказал Петерс. "Преобразование производства продуктов питания для работы без азотных удобрений может стать огромным достижением в слаборазвитых странах. Добавление этих микробов было бы похоже на полив корней комбучей".
Сложная задача
Лаборатория Петерса специализируется на изучении метаболических процессов у бактерий, то есть на том, как они создают и используют энергию. Его лаборатория предоставила схему того, как работает фиксация азота у разных организмов. Затем его соавторы, синтетические биологи из Массачусетского технологического института, могут создать механизмы, которые понадобятся микробам и растениям.
"Это такая сложная и широко распространенная проблема, что для ее решения действительно требуется большая команда с разными областями экспертизы", — сказал Петерс. "Но если мы добьемся успеха, награда может быть огромной для всей планеты".