Поля на самообеспечении

Азотные удобрения – главный наркотик мировой агросистемы. Но вместе с богатыми урожаями мы получаем и огромные экологические проблемы. Уже полвека назад ученые задумывались: а что, если заставить растения «кормить себя» самостоятельно, то есть извлекать азот прямо из воздуха? О революционных экспериментах читатели «За рубежом» узнали из № 41 (798) за 1975 год.

Азотные удобрения – основа мировой продовольственной системы. Без них невозможно прокормить восемь миллиардов людей, но цена впечатляющих урожаев слишком высока: колоссальные выбросы парниковых газов, мертвые зоны в океанах, загрязненные грунтовые воды и энергетические затраты на производство аммиака. В 1970-е стало ясно, что человечество загнало себя в зависимость от удобрений.



Тогда ученые и обратили взор свой на бобовые. У гороха, фасоли или сои на корнях есть клубеньки – маленькие «фабрики азота». В них живут бактерии рода Rhizobium, которые берут азот прямо из воздуха и превращают его в удобные для растения соединения. За это растение кормит бактерии углеводами.

Именно поэтому бобовые могут расти на бедных почвах без удобрений, а после уборки оставляют в земле запас азота для других культур. Возник логичный вопрос: если бобовые растения умеют «добывать» азот из воздуха, почему бы не научить этому и пшеницу, рис или кукурузу?

Наибольший интерес, пожалуй, представляют сообщения из Бразилии. Ветеран в области этих исследований Иоханна Деберейнер обнаружила у многих тропических растений бактерии вида Spirillum, которые могут связывать азот столь же эффективно (причем, в отличие от вида Rhizobium, они могут делать это самостоятельно, не нуждаясь в растении-хозяине). Не говоря о том, какое значение может иметь это открытие для повышение урожайности трав или сахарного тростника, оно представляется многообещающим и в отношении зерновых культур, зная теперь, что этот процесс не уникален только для бобовых.
«За рубежом» № 41 (798), 1975

Одновременно с этими исследованиями шли эксперименты в Сассекском университете. Джон Постгайт пробовал пересаживать гены азотфиксации из бактерий в новые организмы, чтобы они начали усваивать атмосферный азот.

Однако наиболее привлекательными представляются опыты (в том числе Джона Постгайта в Сассекском университете в Англии) по «прививке» связывающих азот генов бактерий другим организмам, чтобы те смогли поглощать азот из воздуха. Таким образом удалось добиться, что обычные E. Coli бактерии начали поглощать азот, чего они раньше никогда не делали.
«За рубежом» № 41 (798), 1975

Кишечная палочка и правда начала фиксировать азот, но только в пробирке и в мизерных количествах. Ученые столкнулись с тремя сложными проблемами, которые так и не смогли решить. За работу нитрогеназы отвечают десятки генов, и их согласованная работа – задача куда более сложная, чем просто «пересадка» одного гена.

К тому же фермент моментально разрушался при контакте с кислородом, а в клетках растений его слишком много. А еще азотфиксация требовала огромных затрат АТФ – бактерии быстро «выдыхались».

Опыты Постгейта остались академическим доказательством принципа, но до практического внедрения не дошли.

Опыты бразильской ученой все же смогли выйти за пределы лаборатории, но революции на в агросекторе не совершили.

Spirillum (позднее переименованные в Azospirillum) и правда помогали сахарному тростнику и кукурузе в тропиках, но дальше дело не пошло. Колонии плохо закреплялись на корнях пшеницы, фиксировали слишком мало азота и быстро теряли активность вне жаркого влажного климата. В итоге препараты на их основе прижились только в Южной Америке: в Бразилии и Аргентине ими до сих пор пользуются, чтобы снизить дозы удобрений для кукурузы и тростника. Но заменить ими весь аммиак для зерновых так и не удалось.

Но попытки создать пшеницу, способную кормить себя самостоятельно не прекращаются, и на этом поприще есть некоторые успехи.

Ученые активно разрабатывают инокулянты – специальные бактериальные препараты, которые подселяют на корни пшеницы или кукурузы. В 2024 году марокканские исследователи показали, что штаммы Arthrobacter и Rhodotorula снижают потребность пшеницы в удобрениях почти на 50 %, не уменьшая урожайность. Для аграриев это прорыв: меньше затрат и меньше вреда экологии.

В Оксфордском университете вместе с MIT и Кембриджем создали ячмень, который выделяет особый сигнал – ризопин. Этот химический светофор включает азотфиксацию у бактерий только тогда, когда это нужно самому растению. То есть культура словно сама управляет своими симбионтами.

Команда из UC Davis обнаружила, что если усилить у риса выработку соединения апигенин, то бактерии активнее образуют биопленки на его корнях. В таких колониях фиксация азота идет стабильнее, и растение получает дополнительное питание из воздуха.

Британский John Innes Centre предложил новый способ переноса генов нитрогеназы – объединять их в один «полипротеин» и вставлять в клетки растений. Такой «конструктор» проще встроить и контролировать, чем десятки разрозненных генов. Это шаг к тому, чтобы сделать азотфиксацию встроенной функцией самого растения, а не его бактерий.

Так что мир все ближе к созданию зерновых культур «на самобеспечении». Если 50 лет назад это казалось фантастикой, то сегодня это уже вопрос инженерных решений. Если технологии будут разработаны и повсеместно внедрены, в плюсе окажутся и фермеры, которым будет проще и дешевле выращивать пшеницу, и экологи, которые будут радоваться чистым рекам, озерам и воздуху. В минусе окажутся, пожалуй, только производители удобрений.

---

Мария Седнева
Иллюстрация: «За рубежом», Midjourney