Биолог из Вашингтонского государственного университета Мехтильд Тегедер разработала способ резкого увеличения урожайности и качества соевых бобов.
Ее растения сои, выращенные в теплицах, улавливают в два раза больше азота из атмосферы, чем их естественные аналоги, вырастают крупнее и производят на 36% больше семян.
Тегедер разработал новый способ увеличения потока азота, необходимого питательного вещества, от специализированных бактерий в корневых клубеньках сои к органам, производящим семена. Она и Аманда Картер, аспирантка факультета биологических наук, обнаружили, что повышенная скорость переноса азота приводит к перегрузке растений.
Их работа, недавно опубликованная в журнале Current Biology, является крупным прорывом в науке о повышении урожайности. В конечном итоге это могло бы помочь решить серьезную проблему общества, заключающуюся в том, чтобы прокормить растущее человеческое население и защитить окружающую среду.
«Самый большой вывод из нашего исследования заключается в том, что, ускоряя процесс естественного распределения азота, мы можем увеличить количество производимой пищи, не способствуя дальнейшему загрязнению сельского хозяйства», - сказал Тегедер. «В конечном итоге мы хотели бы перенести то, что мы узнали, на другие бобовые и растения, которые люди выращивают для еды».
Повышение урожайности зерна
Бобовые составляют около 30 процентов мирового сельскохозяйственного производства. Они состоят из таких растений, как соя, люцерна, горох, фасоль и чечевица, среди прочих.
В отличие от сельскохозяйственных культур, которые зависят от естественного и искусственно полученного азота из почвы, бобовые содержат бактериоиды ризобий в своих корневых клубеньках, которые обладают уникальной способностью преобразовывать или «фиксировать» газообразный азот из атмосферы.
В течение многих лет ученые пытались увеличить скорость фиксации азота у бобовых, изменяя бактериоидную функцию ризобий или взаимодействия между бактериоидом и клетками корневого клубенька.
Тегедер применила другой подход: она увеличила количество белков, которые помогают переносить азот от бактерий-ризобий к листьям растений, органам, производящим семена, и другим областям, где он необходим.
Дополнительные транспортные белки ускорили общий экспорт азота из корневых клубеньков. Это запустило петлю обратной связи, которая заставила ризобии фиксировать больше атмосферного азота, который растение затем использовало для производства большего количества семян.
«Они больше, растут быстрее и в целом выглядят лучше, чем натуральные растения сои», - сказал Тегедер. «Некоторые имеющиеся у нас данные свидетельствуют о том, что они также могут быть очень эффективными в стрессовых условиях, таких как засуха».
Защита окружающей среды
Азот является макроэлементом, необходимым для роста растений. Во всем мире применяется большое количество синтетических азотных удобрений для обеспечения высокой продуктивности растений.
Применение представляет собой экологическую проблему в промышленно развитых странах, таких как США, из-за высокого потребления энергии, увеличения выбросов парниковых газов, загрязнения воды и других неблагоприятных воздействий на экосистемы и здоровье человека.
В развивающихся странах, где азотных удобрений не хватает, недостаток азота для растений приводит к низкой урожайности и ограниченным запасам продовольствия.
Тегедер считает, что ее исследование, посвященное сое, в конечном итоге может быть применено к разновидностям бобовых, подходящих для различных климатических условий. Одним из основных преимуществ выращивания бобовых, таких как нут, фасоль обыкновенная, горох и соя, является то, что они не только могут использовать атмосферный азот для собственного роста, но и оставляют остаточный азот в почве для последующих культур.
Следовательно, увеличение фиксации азота может повысить общую продуктивность растений для фермеров, выращивающих бобовые, как в промышленно развитых, так и в развивающихся странах, при одновременном снижении или устранении потребности в азотных удобрениях.
«Бобовые культуры с более высокой урожайностью имеют огромное значение для сельского хозяйства и производства продуктов питания во всем мире», - сказал Тегедер. «Наши исследования также могут быть перенесены на другие сельскохозяйственные культуры, которые не фиксируют азот из атмосферы, но выиграют от возможности более эффективно поглощать азот из почвы».
Ее работа соответствует программе Grand Challenges WSU, набору исследовательских инициатив, направленных на решение крупных социальных проблем. Это особенно актуально для проблемы устойчивых ресурсов и ее темы обеспечения продовольствием для будущих поколений.