Ученые перенесли набор генов в колонизирующие растения бактерии, которые позволяют им извлекать азот из воздуха и превращать его в аммиак, естественное удобрение.
Эта работа может помочь фермерам во всем мире использовать меньше искусственных удобрений для выращивания важных продовольственных культур, таких как пшеница, кукуруза и соевые бобы.
Группа ученых, в том числе двое из Университета штата Вашингтон, опубликовала в конце прошлого месяца в журнале Nature Microbiology исследование «Контроль фиксации азота бактериями, которые ассоциируются со злаками».
«Существует растущий интерес к сокращению количества удобрений, используемых в сельском хозяйстве, потому что они дороги, оказывают негативное воздействие на окружающую среду и требуют много энергии для производства», - сказал Джон Питерс, директор Института биологической химии и биохимии WSU. соавтор статьи. «Существует огромная польза от разработки способов увеличения вклада биологической фиксации азота в растениеводство во всем мире».
Как бобовые получают азот
Исследование команды помогает поделиться преимуществами симбиоза бобовых культур, на которые фермеры веками полагались для естественного обогащения почвы.
Бобовые культуры, такие как нут и чечевица, требуют значительно меньшего количества удобрений, чем другие культуры, потому что они установили симбиотические отношения с бактериями, которые растут в их корневых тканях. Эти бактерии превращают газообразный азот в аммиак посредством процесса, называемого биологической фиксацией азота.
Бактерии берут азот из воздуха и превращают его в аммиак для растений, которые используют его для получения энергии для роста. Растения, в свою очередь, обеспечивают микробов углеродом и другими питательными веществами.
Чтобы работать симбиотически, бобовые и микробы эволюционировали, чтобы высвобождать сигналы, которые каждый может понять. Растения выделяют химические вещества, которые сигнализируют бактериям, когда им нужен фиксированный азот. Бактерии производят аналогичные сигналы, чтобы растения знали, когда им нужен углерод.
Уменьшение количества удобрений
Чтобы разработать синтетический метод для этого симбиоза между другими бактериями и сельскохозяйственными культурами, ученые работали над определением групп генов в бактериях, которые обеспечивают фиксацию азота, а затем добавляли эти группы генов в другие бактерии.
«Это всего лишь один шаг, хотя и большой, на пути к выяснению того, как способствовать увеличению вклада биологической азотфиксации в растениеводство», - сказал Питерс.
Петерс и WSU вместе с его коллегой Филипом Пулом из Оксфордского университета в Великобритании возглавляют общий проект.
Сокращение потребности в удобрениях может оказать огромное влияние на доступность продовольствия, потребление энергии и затраты на сельское хозяйство во всем мире.
Удобрения слишком дороги для многих фермеров по всему миру. Без них многие питательно ценные продукты не будут расти во многих районах из-за бедной азотом почвы.
«Этот проект направлен на увеличение производства продуктов питания и помогает накормить мир», - сказал Питерс. «Перевод производства продуктов питания на работу без азотных удобрений может стать огромным достижением в слаборазвитых странах. Добавление этих микробов будет похоже на выливание чайного гриба на корни».
Сложное испытание
Лаборатория Питерса специализируется на изучении метаболических процессов в бактериях или на том, как они создают и используют энергию. Его лаборатория предоставила схему того, как фиксация азота работает в разных организмах. Тогда его соавторы, синтетические биологи из Массачусетского технологического института, смогут создать механизмы, которые понадобятся микробам и растениям.
«Это такая сложная и широко распространенная задача, что для ее решения действительно требуется большая команда с различными областями знаний», - сказал Питерс. «Но если мы добьемся успеха, награда может быть огромной для всей планеты».
Проект финансируется Национальным научным фондом и Исследовательским советом по биотехнологии и биологическим наукам в Великобритании.