Новый прорыв в биологической фиксации азота у риса

Исследователи из Центра биотехнологии и геномики растений (CBGP, UPM-INIA) в сотрудничестве с Университетом Льейды-Agrotecnio и Каталонским институтом перспективных исследований (ICREA) впервые создали трансгенные злаки, которые экспрессируют два ключевых компонента нитрогеназы. Это фермент, фиксирующий атмосферный азот, превращая его в аммиак.

Каждый компонент был получен в отдельной линии трансгенных растений и показал биологическую активность in vitro или в живых растениях. Эти растения пока не могут самостоятельно фиксировать азот, так как для восстановления полного фермента нитрогеназы необходимы дополнительные компоненты. Тем не менее, работа является прорывной, поскольку впервые доказано, что можно стабильно экспрессировать эти крайне чувствительные к кислороду белки в растениях, и что белки сохраняют свою активность.

Культурным растениям необходим азот для роста и продуктивности, так как он является основным компонентом ДНК, белков, хлорофилла и молекул для хранения энергии, таких как аденозинтрифосфат (АТФ). Большинство сельскохозяйственных культур зависят от поступления нитратов и аммония из промышленных синтетических удобрений. Однако более половины этих веществ не усваивается, попадая в реки и озёра и становясь основным источником загрязнения.

Бобовые культуры, такие как горох и фасоль, содержат бактерии, которые с помощью фермента нитрогеназы напрямую превращают газообразный азот в аммиак. Этот процесс известен как биологическая фиксация азота. Введение генов нитрогеназы в сельскохозяйственные культуры обеспечило бы их собственным механизмом для фиксации азота. Однако этот процесс чрезвычайно сложен, так как требуется множество различных индивидуальных белков — не только в качестве прямых структурных компонентов нитрогеназы, но и вспомогательных белков для её сборки и обеспечения энергией. Основные белковые компоненты также крайне чувствительны к кислороду.

Исследователи преодолели это критическое препятствие, создав функциональные трансгенные линии риса, производящие отдельно динитрогеназную редуктазу (Fe-белок, NifH) и кофакторную матуразу нитрогеназы (NifB). Обычно исследования по экспрессии нитрогеназы проводятся на лабораторных модельных растениях. Однако, сосредоточившись на рисе — важнейшей продовольственной культуре, которая является основным или единственным источником калорий для более чем 2,5 миллиардов человек в развивающихся странах, — значимость и влияние результатов исследований существенно возрастают.

Руководитель проекта доктор Луис Рубио заявляет: «Это крупный прорыв в биоинженерии, поскольку он устраняет два технических барьера и показывает путь к созданию азотфиксирующих злаков». Это достижение снимает одно из основных ограничений, препятствующих биологической фиксации азота в сельскохозяйственных культурах, и закладывает основу для сборки полного и функционального комплекса нитрогеназы в растениях.

Дальнейшая работа по созданию растений с полной нитрогеназой окажет долгосрочное влияние на глобальную продовольственную безопасность. Доктор Пол Кристоу, профессор-исследователь ICREA и руководитель проекта в Центре Университета Льейды-Agrotecnio, говорит: «Одним из основных долгосрочных последствий этой работы станет её влияние на страны с низким и средним уровнем дохода, которые не могут позволить себе дорогие азотные удобрения».

Связанные исследования были опубликованы в журналах Communications Biology и ACS Synthetic Biology.