В будущем растения смогут создавать собственные удобрения. Фермерам больше не нужно будет покупать и разбрасывать удобрения для своих культур, а увеличение производства продуктов питания принесет пользу миллиардам людей во всем мире, которые в противном случае могли бы остаться голодными.
Эти утверждения могут звучать как отрывок из научно-фантастического романа, но новое исследование Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Ученые из Луи показывают, что вскоре можно будет спроектировать растения для производства собственных удобрений. Это открытие может оказать революционное влияние на сельское хозяйство и здоровье планеты.
Исследование под руководством Химадри Пакраси, заслуженного профессора Университета Глассберга-Гринсфельдера на кафедре биологии в искусстве и науке и директора Международного центра энергетики, окружающей среды и устойчивого развития (InCEES); и Майтраи Бхаттачария-Пакраси, старший научный сотрудник в области биологии, была опубликована в майско-июньском номере журнала mBio.
Создание удобрений является энергоемким, и в процессе образуются парниковые газы, которые являются основным фактором изменения климата. И это неэффективно. Удобрение - это система доставки азота, которую растения используют для создания хлорофилла для фотосинтеза, но менее 40 процентов азота, содержащегося в коммерческих удобрениях, поступает к растению.
После того, как растение было удобрено, возникает еще одна проблема: сток. Удобрения, смываемые дождем, попадают в ручьи, реки, заливы и озера, питая водоросли, которые могут бесконтрольно разрастаться, блокируя солнечный свет и убивая растительную и животную жизнь внизу.
Однако вокруг нас есть еще один обильный источник азота. Атмосфера Земли состоит примерно на 78 процентов из азота, и лаборатория Пакраси на кафедре биологии только что спроектировала бактерию, которая может использовать этот атмосферный газ - процесс, известный как «фиксация» азота, - это значительный шаг к созданию растений, которые могут это делать. то же самое.
Исследование было основано на том факте, что, хотя не существует растений, которые могут фиксировать азот из воздуха, существует подмножество цианобактерий (бактерии, которые фотосинтезируют, как растения), способные это делать. Цианобактерии могут это делать, несмотря на то, что кислород, побочный продукт фотосинтеза, мешает процессу фиксации азота.
Бактерии, использованные в этом исследовании, Cyanothece, способны фиксировать азот благодаря тому, что у них есть нечто общее с людьми.
«Цианобактерии - единственные бактерии, у которых есть циркадный ритм», - сказал Пакраси. Интересно, что цианотеки фотосинтезируют в течение дня, преобразовывая солнечный свет в химическую энергию, которую они используют в качестве топлива, и фиксируют азот ночью, удаляя большую часть кислорода, образующегося во время фотосинтеза, посредством дыхания.
Исследовательская группа хотела взять гены Cyanothece, ответственные за этот механизм дня и ночи, и поместить их в другой тип цианобактерий, Synechocystis, чтобы уговорить этого жука также фиксировать азот из воздуха.
Чтобы найти правильную последовательность генов, команда искала контрольный циркадный ритм. «Мы увидели непрерывный набор из 35 генов, которые работали только ночью, - сказал Пакраси, - а днем они в основном молчали».
Команда, в которую также входили научный сотрудник Мишель Либертон, бывший научный сотрудник Цзинцзе Юй и Дэн Лю, вручную удалила кислород из Synechocystis и добавила гены из Cyanothece. Исследователи обнаружили, что Synechocystis способен фиксировать азот при 2 процентах содержания Cyanothice. Однако все стало по-настоящему интересным, когда Лю, исследователь с докторской степенью, который был опорой проекта, начал удалять некоторые из этих генов; Имея всего 24 гена цианотеций, Synechocystis был способен фиксировать азот со скоростью более 30 процентов по сравнению с цианотеками.
Скорость азотфиксации заметно снижалась при добавлении небольшого количества кислорода (до 1 процента), но снова возрастала при добавлении другой группы генов из цианотеков, хотя и не достигала таких высоких показателей, как без добавления кислорода. присутствие кислорода.
"Это означает, что инженерный план выполним", сказал Пакраси. «Должен сказать, это достижение превзошло все мои ожидания».
Следующие шаги для команды заключаются в том, чтобы углубиться в детали процесса, возможно, еще больше сузить подмножество генов, необходимых для фиксации азота, и сотрудничать с другими учеными-растителями, чтобы применить уроки, извлеченные из этого исследования. на следующий уровень: азотфиксирующие растения.
Культуры, которые могут использовать азот из воздуха, будут наиболее эффективны для фермеров, ведущих натуральное хозяйство - около 800 миллионов человек во всем мире, по данным Всемирного банка, - повышая урожайность в масштабах, которые выгодны для семьи или города и высвобождая время, которое когда-то тратилось на ручное разбрасывание удобрений.
«Если это будет успех, - сказал Бхаттачарья-Пакраси, - это будет значительным изменением в сельском хозяйстве».