Новый способ выращивания культур на маргинальных почвах может помочь прокормить мир

К 2050 году население Земли достигнет 9,7 млрд человек. Около трети мировой пахотной земли страдает от дефицита доступного железа, что делает её непригодной для основных культур, таких как кукуруза и соя.

В прошлом году команда исследователей из Стэнфорда под руководством доцента химической инженерии Элизабет Саттели обнаружила генетическую адаптацию, позволяющую выносливому растению процветать на таких почвах. Теперь её лаборатория раскрыла больше подробностей о генетических механизмах этой черты выживания.

Лаборатория Саттели изучает почвенные микробиомы — сообщества бактерий, живущих вокруг корней растений и помогающих им усваивать питательные вещества. Исследование сосредоточено на проблеме дефицита железа, который тормозит рост и снижает урожайность.

Многие засушливые регионы мира имеют щелочные почвы, и эта щёлочность химически «запирает» железо в земле. Лаборатория обнаружила, как растение Arabidopsis thaliana (родственник капусты и горчицы) преодолевает этот дефицит. Его корни выделяют молекулу из семейства кумаринов, которая оказывает химическое воздействие, помогающее «вытянуть» железо в растение, преодолевая противодействие щёлочности почвы.

В новых экспериментах было обнаружено ещё одно возможное преимущество кумарина: молекулы, выделяемые корнями в почву, отпугивают определённые бактерии. Поскольку бактериям тоже нужно железо, исследователи полагают, что растение таким образом защищает свой доступ к жизненно важному минералу. «Arabidopsis развил метаболический путь, который химически изменяет окружающую почву и её корневой микробиом при ограниченном поступлении железа», — сказал аспирант Матиас Фогес, возглавлявший эту работу.

Для изучения этих подземных химических взаимодействий лаборатория разработала экспериментальный процесс на основе гидропоники. Растения Arabidopsis выращивали в воде с химическим и минеральным составом, аналогичным щелочным почвам, добавляя различные типы бактерий из нормального корневого микробиома. В будущем эту гидропонную платформу можно использовать для создания различных псевдопочвенных сред и тестирования реакций растений на другие неблагоприятные условия.

В краткосрочной перспективе лаборатория попытается лучше понять механизм адаптации с помощью кумаринов, чтобы в конечном итоге биоинженерным путём наделить пшеницу, кукурузу или другие культуры способностью расти на щелочных почвах. Саттели верит, что это открывает путь к новому, экологичному виду генной инженерии растений: вместо внедрения искусственных черт учёные смогут переносить естественно развившиеся адаптации от одного растения к другому.

«Мы представляем себе новый тип экологически осознанной науки о культурах», — сказала Саттели.