Кукурузе будущего сотни лет, и она производит собственную слизь

Этот редкий вид кукурузы способен производить свой собственный азот, что может привести к революции в сельском хозяйстве.

Кукуруза вида Сьерра-миксе имеет воздушные корни, производящие сладкую слизь, которой питаются бактерии. Бактерии, в свою очередь, вытягивают азот из воздуха и удобряют растение. Если ученые смогут развить эту способность у обычной кукурузы, то это может привести к революции в сельском хозяйстве.

В 1980-х годах Говард-Яна Шапиро, ныне главный сельскохозяйственный директор корпорации «Марс», искал новые виды кукурузы. Он был в районе Oaxaca на юге Мексики, где впервые появились предшественники кукурузы, когда он обнаружил некоторые из самых странных видов этой культуры, которые когда-либо видел.

Мало того, что растения были от 16 до 20 футов высотой (4,8 - 6,0 м), затмевая 12-футовые растения (3,6 м) на американских полях. Этому виду требуется от 6 до 8 месяцев, чтобы созреть, - намного дольше, чем 3 месяца, необходимых для обычной кукурузы. Тем не менее она растет до этих впечатляющих высот, на бедной почве, вообще без использования удобрений. Но самой странной частью этой кукурузы были ее воздушные корни - зеленые и розовые, похожие на пальцы-выступы, торчащие из стебля, с которых капал прозрачный сиропообразный гель.

Шапиро подозревал, что эти покрытые слизью пальцы могли быть «святым Граалем» для сельского хозяйства. Он полагал, что корни позволили этому уникальному виду кукурузы, получившему название Sierra Mixe и выращиваемому в течение сотен или даже тысяч лет, производить собственный азот - необходимое для сельскохозяйственных культур питательное вещество, которое обычно применяется в качестве удобрения в больших количествах.

Идея казалась многообещающей, но без инструментов ДНК, чтобы изучить специфику того, как кукуруза производила азот, открытие было отложено. Почти два десятилетия спустя, в 2005 году, Алан Б. Беннетт из Калифорнийского университета Дэвиса вместе с Шапиро и другими исследователями начал использовать передовые технологии для изучения азотфиксирующих свойств флегмы кукурузы, обнаружив, что на самом деле бактерии, живущие в слизи, вытягивают азот из воздуха, превращая его в форму, которую может поглотить культура.

Теперь, после более чем десяти лет полевых исследований и генетического анализа, команда опубликовала свою работу в журнале PLOS Biology . Если азотфиксирующий признак может быть введен в обычную кукурузу и она сможет производить даже часть собственной потребности в азоте, это может снизить себестоимость, сократить выбросы парниковых газов и остановить один из основных загрязнителей в озерах, реках и океане. Другими словами, это может привести ко второй революции азота.

Открытие процесса Хабера-Бош и его усовершенствований, в котором азот удаляется из воздуха под действием высокой температуры и давления в присутствии катализатора, привело к трем отдельным Нобелевским премиям. И они заслуженны. По разным оценкам, с 1908-й по 2008 год урожайность более чем удвоилась благодаря применению синтетического азота, ответственного за половину этого роста. Некоторые исследователи связывают массовый рост численности населения в последние 70 лет с увеличением использования азотных удобрений. Без них нам пришлось бы обрабатывать почти в четыре раза больше земли или иметь миллиард людей на планете.

Но производство всего этого азота имеет последствия. Подсчитано, что производство удобрений с помощью процесса Хабера-Бош использует от 1 до 2 процентов мировой энергии, выделяя много парниковых газов. И синтетический азот регулярно смывается с полей в водные пути, что приводит к массовому цветению водорослей, которые поглощают весь кислород, убивая рыбу и другие организмы. В реки и ручьи поступает так много азота, что большие мертвые зоны развились в устьях мировых рек, в том числе в Мексиканском заливе, который в прошлом году был размером с Нью-Джерси. Марк Саттон из британского Центра экологии и гидрологии называет азот «крестным отцом загрязнени»: его последствия есть везде, но вы никогда не увидите виновника.

Исследователи даже пересадили кукурузу в Мэдисон, штат Висконсин, обнаружив, что она все еще способна производить собственный азот из своей родной среды.

Но мы не можем просто перестать применять азотные удобрения, без серьезного снижения объема сельхозпродукции. В то время как лучшие методы управления и ведения сельского хозяйства могут помочь снизить загрязнение водных путей, этих стратегий недостаточно, чтобы решить экологические проблемы применения азота. Вот почему исследователи на протяжении десятилетий задавались вопросом: есть ли способ помочь зерновым культурам, таким как кукуруза и пшеница, производить свой собственный азот?

Идея не так притянута за уши, как кажется. Многие растения, в частности бобовые, такие как соя, арахис и люцерна, имеют симбиотические отношения с ризобиевыми бактериями, которые производят для них азот. На корнях растения растут корневые узелки, где бактерии поселяются и, питаясь растительными сахарами, преобразуют азот воздуха в форму, которую растения могут использовать. Исследователи полагают: если бы подобные симбиотические отношения могли быть найдены в зерновых культурах, таких как кукуруза и пшеница, мы могли бы уменьшить использование минерального азота.

Вот почему слизь кукурузы так важна и почему Беннетт и его команда потратили восемь лет на изучение бактерий и геля: чтобы убедить себя в том, что кукуруза действительно способна производить свой собственный азот. Используя секвенирование ДНК, они смогли показать, что микробы в слизи несут гены для фиксации азота, и продемонстрировали гель, который выделяет кукуруза, содержащий много сахаров и мало кислорода, идеально подходящий для фиксации азота. Проведя 5 различных комплексных исследований, они обнаружили, что азот, произведенный микробами, усваивается растением, обеспечивая от 30 до 80 процентов его потребностей в этом элементе. Тогда они произвели синтетическую версию слизи и заселили ее микробами, обнаружив, что бактерии вырабатывают аналогичные формы азота. Они даже вырастили растения вида Сьерра-микс в Дэвисе, штат Калифорния, и Мэдисоне, штат Висконсин, показав, что кукуруза может выполнять свой особый трюк за пределами родной территории в Мексике.

«Этот механизм полностью отличается от того, что используют бобовые», - говорит Беннетт, добавляя, что он может существовать и в других культурах. «Вполне возможно, что подобные системы существуют во многих зерновых культурах. Сорго, например, имеет воздушные корни и слизь. Может быть, у других культур есть более тонкие механизмы, которые происходят под землей и которые можно использовать в будущем. Теперь, когда мы знаем, мы можем искать их.»

Соавтор Jean Michel-Ane из Университета Висконсина, г. Мэдисон, соглашается, что это открытие влечет за собой новые возможности. «Инженерная кукуруза для фиксации азота и образования корневых узелков, таких как у бобовых, была мечтой и борьбой ученых на протяжении десятилетий. Оказывается, эта кукуруза разработала совершенно другой способ решения проблемы фиксации азота. Научное сообщество, вероятно, недооценило фиксацию азота в других культурах из-за его одержимости корневыми узелками, - говорит он. - Эта кукуруза показала нам, что природа может найти решения некоторых проблем, далеко выходящие за рамки того, что ученые могли себе представить.»

Оказывается, у природы есть еще больше азотопроизводящих «трюков в рукаве», с которыми исследователи просто не сталкивались. Есть еще несколько проектов, направленных на получение зерновых и овощных культур, где растения питали бы себя сами. Одним из наиболее перспективных является использование эндофитов, или микроорганизмов, таких как бактерии и грибы, которые живут в межклеточных пространствах растений. Исследователь Вашингтонского университета Шэрон Доти заинтересовалась такими организмами пару десятилетий назад. Она изучала ивы и тополя, являющиеся одними из первых деревьев, которые растут на пострадавшей земле после таких событий, как извержение вулкана, наводнение или камнепад. Эти деревья росли на речном гравии, почти не имея доступа к азоту в почве. Внутри их стеблей, однако, Доти нашла эндофиты, которые фиксировали азот для деревьев, и никаких корневых узелков. С тех пор она изучила десятки различных штаммов эндофитов, многие из которых удивительно помогают растениям. Некоторые производят азот или фосфор, другое важное питательное вещество, пока другие улучшают рост корней, некоторые позволяют растениям расти в условиях засухи или высокого содержания солей в почве.

«Существуют целый ряд различных микробов, которые могут фиксировать азот, и широкий спектр видов растений, на которые они влияют», - говорит она. Ее тесты показали, что микробы могут удвоить продуктивность растений перца и томатов, улучшить рост риса и придать засухоустойчивость деревьям, таким как пихты Дугласа. Некоторые даже позволяют деревьям и растениям всасывать и разрушать промышленные загрязнители и в настоящее время используются для очистки загрязненных участков. «Преимущество использования эндофитов в том, что это действительно большая группа. Мы нашли штаммы, которые работают с рисом, кукурузой, помидорами, перцем и другими сельскохозяйственными культурами.»

На самом деле эндофиты могут попасть в руки фермеров гораздо раньше. Los Altos, калифорнийский Intrinsyx Bio, коммерциализирует некоторых эндофитов Доти. Главный научный сотрудник Джон Л. Фримен говорит, что компания находится на пути к тому, чтобы продукт был готов к выходу на рынок в 2019 году. Цель состоит в том, чтобы доставить несколько штаммов эндофитов в растения, скорее всего, путем покрытия семян. После того как эти бактерии поселятся внутри растения, они должны произвести около 25 процентов азота, в котором нуждаются растения.
Другая биотехнологическая компания, Pivot Bio, недавно объявила о бета-тестировании аналогичного решения, используя азотфиксирующие микробы, которые растут в корневых системах кукурузы.

Недавно появившаяся область синтетической биологии также ищет решения в проблеме азота. Бостонская компания Joyn Bio, образованная в сентябре прошлого года, являющаяся совместным проектом Bayer и Ginkgo Bioworks, биотехнологической компанией с опытом создания пищевых дрожжей и бактерий для пищевой и вкусовой промышленности, среди других проектов занимается проектом Designer microbe. Joyn Bio в настоящее время «прочесывает» библиотеку Bayer более чем из 100 000 микробов, чтобы найти хозяина, который может успешно колонизировать растения, подобные эндофитам Доти. Затем они надеются настроить это «шасси хозяина» с генами, которые позволят ему фиксировать азот. «Вместо того чтобы полагаться на природу и искать волшебные микробы, которые, возможно, не существуют, мы хотим найти нашего хозяина - известного нам микроба и точно настроить его, чтобы делать то, что нам нужно для кукурузы или пшеницы», - говорит генеральный директор Joyn Bio Майкл Миилле.

Фонд Гейтса также поддерживает проекты, направленные на то, чтобы привить азотфиксирующие способности бобовых зерновым культурам. Тем не менее другие компании надеются на то, что появление квантовых вычислений откроет новые области химии и определит новые катализаторы, которые сделают процесс Хабера-Бош намного более эффективным.

Хотя маловероятно, что одно только решение сможет заменить 100 процентов синтетических удобрений, используемых людьми. Возможно, вместе эти проекты могут сделать серьезный вклад в снижение загрязнения воды азотом. Беннетт надеется, что кукуруза Сьерра-микс и то, что его команда узнала о ней, станут частью азотной революции, хотя признает, что это очень длинный путь, прежде чем скользкие кукурузные пальцы начнут производить азот в обычных культурах. Теперь он хочет идентифицировать гены, которые производят воздушные корни, и определить, какие из тысяч микробов, обнаруженных в слизи, на самом деле фиксируют азот.

«Я думаю, то, что мы делаем, может быть дополнением к этим подходам (эндофиты и синтетическая биология), - говорит он. - Я думаю, мы увидим много различных стратегий, и через 5 - 10 лет появится что-то, что повлияет на то, как кукуруза будет получать азот.»

Д. ДЕЙЛИ, Мэдисон, штат Висконсин Перевод Д. БЕЛОГО