Ученые с помощью технологии CRISPR создали сорт пшеницы, который вырабатывает больше апигенина — вещества, стимулирующего почвенные бактерии к естественной фиксации азота. Такой подход способен снизить затраты на удобрения, уменьшить вред окружающей среде и повысить урожайность.

Новый подход к удобрению почвы

Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе разработали пшеницу, способную способствовать образованию собственного удобрения. Это может значительно сократить загрязнение воздуха и воды по всему миру, а также снизить расходы на сельское хозяйство. Руководителем проекта выступил профессор Эдуардо Блумвальд с кафедры растениеводства.

Используя инструмент редактирования генов CRISPR, команда увеличила выработку одним из природных соединений растения. Когда корни пшеницы выделяют это соединение в почву, оно помогает определённым бактериям превращать атмосферный азот в форму, доступную для усвоения растениями — процесс, известный как фиксация азота.

Значение для развивающихся регионов

Для многих развивающихся стран это открытие может стать поддержкой стабильного производства сельскохозяйственных культур. В Африке удобрения часто недоступны из-за высокой стоимости, а фермы обычно небольшие — не более шести-восьми акров. Возможность выращивать культуры, которые сами стимулируют почвенные бактерии к созданию необходимого удобрения, может стать настоящим прорывом.

Предпосылки и масштабы проблемы

Пшеница занимает второе место в мире по производству среди зерновых культур и использует около 18% всех азотных удобрений. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, в 2020 году было произведено более 800 миллионов тонн удобрений.

Однако растения обычно усваивают только 30–50% внесённых азотных удобрений. Остальное попадает в реки и прибрежные зоны, вызывая образование «мертвых зон» с низким содержанием кислорода, что вредит водным экосистемам. Избыток азота в почве также способствует образованию закиси азота — мощного парникового газа.

Как работает фиксация азота

Азотфиксирующие бактерии вырабатывают фермент нитрогеназу, который осуществляет фиксацию азота, но этот фермент работает только внутри бактерий и при низком содержании кислорода. Бобовые, такие как фасоль и горох, естественным образом образуют корневые клубеньки — структуры, создающие подходящие условия для бактерий. Пшеница и большинство других культур таких клубеньков не имеют, поэтому широко используются синтетические азотные удобрения.

Долгое время ученые пытались создать зерновые культуры с активными корневыми клубеньками или заселить их азотфиксирующими бактериями, но без особого успеха. Новый подход заключается в том, что местоположение бактерий не так важно, если фиксированный азот может поступать к растению и использоваться им.

Поиск эффективных соединений

Исследователи изучили 2800 природных соединений, вырабатываемых растениями, и выделили 20, способных стимулировать бактерии к образованию биопленок. Эти липкие оболочки создают для бактерий микросреду с низким содержанием кислорода, подходящую для работы нитрогеназы. Затем команда определила, как растения синтезируют эти соединения, и выявила соответствующие гены.

Используя эти данные, с помощью CRISPR были модифицированы растения пшеницы, чтобы они вырабатывали больше одного из таких соединений — флавона апигенина. Избыток апигенина выделяется в почву, где стимулирует бактерии к образованию защитных биопленок, что позволяет нитрогеназе фиксировать азот в форме, доступной для усвоения пшеницей. В условиях очень низкого внесения азотных удобрений модифицированная пшеница также показала более высокую урожайность по сравнению с контрольными растениями.

Экономический и экологический эффект

Фермеры в США потратили почти 36 миллиардов долларов на удобрения в 2023 году, а зерновыми засеяно около 500 миллионов акров. Даже экономия 10% удобрений на этих площадях может дать более миллиарда долларов ежегодно.

Перспективы развития

Эта инновация основана на предыдущем успехе группы с рисом, и аналогичные исследования ведутся для других основных зерновых культур. Внедрение таких технологий может существенно изменить подход к сельскому хозяйству, сделав его более устойчивым и экологичным.