Пшеница, производящая собственное удобрение, может снизить загрязнение и затраты фермеров
Ученые Калифорнийского университета в Дэвисе создали растения пшеницы, которые стимулируют производство собственного удобрения. Это открывает путь к снижению загрязнения воздуха и воды во всем мире и уменьшению затрат для фермеров.
Технологию разработала команда под руководством Эдуардо Блумвальда, профессора факультета растениеводства. Ученые использовали инструмент редактирования генов CRISPR, чтобы заставить растения пшеницы производить больше одного из своих естественных химических веществ. Когда растение выделяет избыток этого вещества в почву, оно помогает определенным почвенным бактериям преобразовывать атмосферный азот в форму, которую могут использовать для роста соседние растения. Этот процесс называется азотфиксацией.
Исследование опубликовано в Plant Biotechnology Journal.
Глобальная проблема удобрений
Во всем мире пшеница — вторая по урожайности зерновая культура, на которую приходится наибольшая доля азотных удобрений (около 18% от общего объема). По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, в 2020 году в мире было произведено более 800 миллионов тонн удобрений.
Однако растения усваивают только около 30–50% азота из удобрений. Большая часть неиспользованного азота попадает в водоемы, создавая «мертвые зоны» без кислорода, что губит рыбу и другую водную жизнь. Часть избыточного азота в почве производит закись азота (N2O) — мощный парниковый газ.
Обходной путь: защитить «фиксатор»
Азотфиксирующие бактерии производят фермент нитрогеназу — «фиксатор» в процессе азотфиксации. Нитрогеназа работает только в среде с очень низким содержанием кислорода.
У бобовых культур, таких как фасоль и горох, есть корневые структуры — клубеньки, которые обеспечивают бактериям уютный дом с низким содержанием кислорода. Пшеница и большинство других растений не имеют клубеньков, поэтому фермеры используют азотные удобрения.
«Мы использовали другой подход, — сказал Блумвальд. — Местоположение азотфиксирующих бактерий не так важно, главное, чтобы фиксированный азот достигал растения».
Решение: стимуляция бактерий
Команда изучила 2800 естественных химических веществ, производимых растениями, и нашла 20, которые, помимо прочего, стимулируют бактерии производить биопленки. Биопленки — это липкий слой, окружающий бактерии и создающий среду с низким содержанием кислорода, позволяя нитрогеназе работать.
Ученые определили, как растение производит эти химические вещества и какие гены контролируют этот процесс. Затем с помощью CRISPR они модифицировали растения пшеницы, чтобы те производили больше одного из этих веществ — флавона апигенина. Пшеница выделяет избыток апигенина через корни в почву.
В экспериментах апигенин из пшеницы стимулировал почвенные бактерии создавать защитные биопленки, позволяя нитрогеназе фиксировать азот, который затем усваивали растения пшеницы. Модифицированная пшеница также показала более высокую урожайность по сравнению с контрольными растениями при выращивании в условиях очень низкой концентрации азотных удобрений.
Потенциальная экономия
По оценкам Министерства сельского хозяйства США, американские фермеры потратили на удобрения почти 36 миллиардов долларов в 2023 году. Блумвальд подсчитал, что в США под зерновыми культурами занято почти 500 миллионов акров.
«Представьте, если бы вы могли сэкономить 10% от количества удобрений, используемых на этих землях, — размышляет он. — Это должна быть экономия более миллиарда долларов каждый год».