Как "спящие" признаки растений могут помочь создать сельское хозяйство без удобрений
Растения — одни из самых отважных исследователей Земли. Около 460 миллионов лет назад первые растения начали покидать озёра и реки и появились на суше. Тогда поверхность планеты была в основном голой скалой.
Этим пионерам пришлось преодолеть невероятные трудности при переходе от водного образа жизни. Сегодня культуры, которые мы выращиваем для пропитания, с трудом адаптируются к новым климатическим крайностям. Но им можно помочь, пробудив их древнюю устойчивость.
Все растения для жизни нуждаются в 17 питательных веществах. Наиболее важные — азот, фосфат и калий. Недостаток любого из них замедляет рост растения.
Поэтому тысячелетиями люди одомашнивали культуры, чтобы максимизировать урожай и обеспечить растения достаточным количеством питательных веществ. Наши предки собирали и разбрасывали по полям "ночную почву" (человеческие фекалии) и сражались за земли, покрытые богатым питательными веществами птичьим гуано.
В последнее время люди создали глобальную торговлю синтетическими азотными удобрениями. Расцвет человеческой цивилизации неразрывно связан с использованием питательных веществ для растений в сельском хозяйстве.
Эти практики, возможно, и увеличили производство пищи, но также сделали культуры "ленивыми".
Древние связи
Растениям когда-то пришлось выработать гениальные эволюционные решения, чтобы выжить на суше. Один из способов — они вступили в симбиотические (взаимовыгодные) отношения с почвенными грибами, арбускулярными микоризными, которые действовали как примитивные корни, помогая ранним растениям получать питательные вещества из земли. Взамен грибы получали энергию, которую растения добывали в процессе фотосинтеза.
Наши сельскохозяйственные практики подавили эти симбиотические отношения.
Вместо этого мы полагаемся на химические удобрения для выращивания пищи. Они ответственны как за выбросы парниковых газов, так и за сельскохозяйственное загрязнение, а также в основном недоступны для мелких фермеров, которые производят треть мирового продовольствия.
Однако, я считаю, что эти симбиотические микробные отношения — далеко не древняя история, и они всё ещё актуальны для того, как мы должны или могли бы производить пищу сегодня.
Растения в конечном итоге развили собственные корни около 350–400 миллионов лет назад, но продолжили использовать эти грибные отношения, чтобы поглощать питательные вещества из земли и почвы.
Затем, около 100 миллионов лет назад, некоторые растения — то, что мы теперь знаем как семейство бобовых, включая фасоль, горох и чечевицу — развили отношения с бактериями в почве. Бактерии, называемые ризобиями, заражают корни бобовых и используют фермент для расщепления азота из воздуха в вещество, доступное растению.
Дикие растения до сих пор используют эти древние ассоциации для получения важнейших питательных веществ. Признаки, необходимые растениям для включения симбиотических отношений, в основном "спят" или недостаточно используются в мировых системах производства пищи.
Перспективные исследования
Учёные работают над пониманием того, как растения взаимодействуют с этими почвенными микроорганизмами, чтобы мы могли реактивировать эти связи. Производство продуктов питания должно увеличиваться, чтобы прокормить растущее население мира. Однако в своей нынешней форме оно неустойчиво: около половины мирового населения зависит от удобрений для производства пищи.
Одна только цепочка поставок синтетического азота произвела, по оценкам, 10% сельскохозяйственных выбросов парниковых газов в 2018 году и часто недоступна для мелких фермеров в Африке, которые работают на одной из самых истощённых земель в мире.
Недавние исследования генов растений показали нечто с глубокими последствиями. Наши зерновые культуры имеют тот же древний генетический путь, что и бобовые, который позволяет им взаимодействовать с азотфиксирующими бактериями.
Когда бобовые развили способность ассоциироваться с азотфиксирующими бактериями 100 миллионов лет назад, они использовали многие процессы, уже присутствующие в их биологии для взаимодействия с арбускулярными микоризными грибами. Зерновые упустили этот эволюционный трюк: они уже разошлись, в эволюционном плане, с бобовыми.
Хорошая новость в том, что исследования показывают возможность передачи уникальных азотфиксирующих свойств бобовых другим продовольственным культурам.
За последние несколько лет исследователи значительно расширили наше понимание того, как растения взаимодействуют с полезными микроорганизмами. По крайней мере, в лаборатории мы можем побудить зерновые культуры более активно взаимодействовать с полезными грибами в условиях, имитирующих сильно удобренное поле, и начать воспроизводить процессы, которые мы видим у бобовых, необходимые для размещения азотфиксирующих бактерий. Исследователи заново обучают растения искать полезные микроорганизмы.
Эти открытия жизненно важны для создания злаков, которые могут фиксировать азот без нашей помощи и получать другие необходимые питательные вещества через взаимодействие с грибами. Теперь мы знаем, что у всех растений есть фундаментальный механизм, который до сих пор использовали только бобовые, чтобы позволить взаимодействие с полезными бактериями.
Мы можем заставить наши культуры более активно и продуктивно взаимодействовать с полезными грибами и бактериями. И нам не нужно начинать с нуля, чтобы сконструировать более самостоятельные злаки.
Однако это будет нелегко. Существует несколько сложных процессов, связанных с передачей способности фиксировать азот злакам, включая развитие функции распознавания полезных бактерий.
В будущем может стать возможным выращивать культуры без огромного количества химических удобрений. Это могло бы не только изменить судьбу мелких фермеров в странах с низким доходом, у которых нет доступа к удобрениям, но и сократить загрязнение и выбросы парниковых газов в сельском хозяйстве. Это также уменьшило бы влияние потрясений, таких как нехватка удобрений и скачки цен, вызванные конфликтом в Украине.
Хотя подземные отношения растений с микроорганизмами в основном остаются невидимыми, они могут содержать ключи к крупным прорывам в будущем сельского хозяйства.