Кукурудзі майбутнього — вже сотні років

Современная агрономия: прозрачная, управляемая и прогнозируемая

Подробнее

Подробнее

У 1980-тих Говард-Яна Шапіро, теперішній очільник с/г відділу Mars Incorporated, шукав нові різновиди кукурудзи. Працюючи в районі Міхес штату Оахака в південній Мексиці, де з’явились історично перші рослини кукурудзи, він натрапив на дуже дивний різновид. Окрім того, що він був від 16 до 20 футів (4,8-6 м) заввишки, – гігант на фоні 12-ти футових (3,6 м) рослин американських полів – достигав він також значно довше ніж 3 місяці, яких потребує звичайна кукурудза. Водночас дивний сорт досягав такої вражаючої висоти на, м’яко кажучи, кепському ґрунті без жодних добрив. Найбільш незвичним, утім, було повітряне коріння зелено-рожевого кольору, що витиналося зі стовбура рослини, як пальці, й виділяло чистий, сиропоподібний гель.

Шапіро подумав, що ці «мукусові пальці» можуть стати Священним Граалем сільського господарства. Він припустив, що завдяки незвичайним кореням цей сорт, названий за місцевістю Sierra Mixe, ріс і розвивався сотні або тисячі років, продукуючи власний азот. Це - основне добриво, що в колосальних кількостях використовується в сільському господарстві.

Ідея здавалася багатообіцяючою, але дослідження довелося відкласти за браком технологій дослідження ДНК, які б пролили світло на процес вироблення азоту рослиною..  Майже два десятки років потому, у 2005 році, співробітник Каліфорнійського університету в Дейвісі Алан Б. Беннет разом із Шапіро та іншими дослідниками почали застосовувати найновіші технології для дослідження механізмів добування азоту, якими користується рослина. З’ясувалося, що насправді бактерії, що живуть в слизі рослини, засвоюють азот із повітря, трансформують його, і потім кукурудза поглинає вже трансформований азот.

Тепер, після більш ніж десятилітніх польових досліджень та генетичного аналізу, вчені опублікували результати роботи в журналі PLOS Biology. Якщо б вдалося прищепити властивість вироблення власного азоту звичайній кукурудзі, навіть у невеликих кількостях, це б зменшило витрати сільського господарства, скоротило б викиди парникових газів та обсяги використання одного з основних забруднювачів озер, річок та океанів. Іншими словами, це стало б другою революцією азоту.

Чи не найбільшим досягненням ХХ століття стало синтетичне виробництво азоту. За відкриття процесу Хабера-Боша і виділення азоту з повітря під впливом високих температур і тиску у присутності каталізатора та подальші уточнення до нього вчений здобув три заслужені Нобелівські премії. Підраховано, що в період між 1908 та 2008 роками врожайність сільськогосподарських культур зросла вдвічі. Половина успіху завдячує саме синтезованим азотним добривам. Деякі дослідники пов’язують масове зростання населення Землі за останні сімдесят років зі збільшенням використання азотних добрив. Без них нам би доводилося обробляти в чотири рази більше землі або скоротити населення світу на кілька мільярдів.

Проте виробництво азоту має свої наслідки. На виробництво добрива за методом Хабера-Боша йде від 1 до 2 відсотків світової енергії, що спричиняє високий викид парникових газів. Окрім того, з полів синтетичний азот потрапляє у воду, де він стимулює цвітіння водоростей, які висмоктують весь кисень і так вбивають рибу та інші організми. Багато азоту потрапляє в річки та струмки, у результаті чого у гирлах річок світу утворюються великі мертві зони. Минулого року така мертва зона в Мексиканській затоці сягала розмірів штату Нью-Джерсі. Марк Саттон із Центру екології та гідрології Великобританії називає азот «хрещеним батьком забруднення» – його ефект відчутний скрізь, хоча сам винуватець невидимий оку.

Утім просто відмовитись від азоту ми також не можемо, оскільки це призведе до скорочення с/г виробництва. І хоча кращі методи управління й господарювання можуть допомогти зменшити викиди добрив у водойми, цього буде недостатньо, щоб нейтралізувати спричинені азотом екологічні проблеми. Тому вчені десятиліттями намагались віднайти спосіб допомогти таким зерновим культурам  як кукурудза та пшениця виробляти його самотужки.

Насправді ідея не така неймовірна, як здається. Багато рослин, зокрема соя, арахіс та конюшина, мають симбіотичні зв’язки з бактеріями Rhizobium, які виробляють для них азот. Ці рослини формують на коренях вузлики, де бактерії оселяються й живляться рослинними цукрами. Натомість бактерії конвертують у придатну для рослин форму азот, що вони беруть із повітря.  Якщо вченим вдасться культивувати подібні симбіотичні відносини для кукурудзи та пшениці, ми зможемо зменшити використання азоту в господарстві.

Ось чому слизоносна кукурудза настільки важлива. Щоб упевнитися, що кукурудза дійсно може виробляти власний азот, Бенет і його команда витратили вісім років на ретельне вивчення бактерій та слизу. Використовуючи послідовність ДНК в генах, вони змогли показати, що мікроби, які містяться в слизі, придатні для фіксації азоту; а мукус, що виділяє рослина, має високий вміст цукру та низький вміст кисню, що створює ідеальні умови для фіксації азоту. Використовуючи п'ять різних тестів, вони показали, що вироблений мікробами азот потрапляв у кукурудзу, забезпечуючи від 30 до 80% потреб рослини. Потім вчені синтезували слиз і засіяли його мікробами. Мікроби продовжували продукувати азот у штучно створеному середовищі. Дослідники також засіяли тестові поля сортом Sierra Mixe у м. Девіс, штат Каліфорнія, та м. Медісон, штат Вісконсін.  Навіть поза межами свого природного середовища Sierra Mixe продовжила самостійно добувати азот із повітря.

«Цей механізм абсолютно відрізняється від того, що використовують бобові, – зазначив Беннетт, додавши, що він може існувати і в інших культурах. – Зрозуміло, що подібні типи систем існують у багатьох зернових. Сорго, наприклад, має повітряне коріння і рослинний слиз. Можливо, в інших рослинах діють менш помітні, але більш поширені механізми, що відбуваються під землею. Тепер, коли ми знаємо про ці механізми, ми знаємо, що треба шукати».

Його співавтор Жан Мішель-Ане з університету Вісконсін у Медісоні погоджується, що це відкриття дає нові можливості.

«Десятки років дослідники мріяли створити таку кукурудзу, яка сама б генерувала азот через кореневі вузлики, як бобові. Виявляється, ця кукурудза сама розвинула абсолютно інший спосіб добування азоту. Можливо, через нашу надмірну зосередженість на кореневих вузликах наукова спільнота недооцінювала можливості інших рослин добувати азот,  – відзначає вчений. – Цей сорт кукурудзи продемонстрував, що можливості природи з вирішення деяких проблем значно перевершують уяву вчених».

Виявляється, вчені тільки починають відкривати природні можливості рослин продукувати власний азот. Наразі дослідники працюють над кількома іншими проектами, щоб навчити зернові та овочеві культури самостійно добувати азот. Одним із найперспективніших є використання ендофітів або таких мікроорганізмів  як бактерії та грибки, що живуть у міжклітинних просторах рослинних тканин. Дослідниця Шерон Доті з Вашингтонського університету почала досліджувати ці організми двадцять років назад. Вона вивчала верби та тополі, які одними з перших починають рости на місцях вулканічних вивержень, повеней або каменепадів. Ці дерева виростали з річкового гравію, майже не маючи доступу до азоту в ґрунті, але всередині їхніх стебел Дотi знайшла ендофіти, які добували азот для дерев. При цьому дерева не мали відповідних кореневих вузлів. Відтоді вона дослідила десятки різноманітних штамів ендофіту, які надають рослинам різноманітну допомогу: деякі з них виробляють азот або фосфор (іншу важливу поживну речовину), інші покращують ріст коренеплодів, а деякі дозволяють рослинам виживати в умовах посухи або на засолених ґрунтах.

«Існує велика кількість різних мікробів, які можуть добувати азот, і широкий спектр рослин, які його у такий спосіб отримують, – говорить дослідниця. – Її тести показали, що мікроби можуть подвоїти продуктивність перцю та помідорних рослин, покращити ріст рису та підвищити посухостійкість дерев, наприклад, прибережної псевдотсуги. Деякі мікроби навіть дозволяють деревам і рослинам вбирати і розщеплювати промислові забруднення. Наразі ця особливість використовується федеральною програмою з очищення екологічно забруднених територій. – Перевага використання ендофітів полягає в тому, що це дійсно велика група. Ми знайшли штами, які працюють з рисом, кукурудзою, помідорами, перцем та іншими сільськогосподарськими культурами».

Власне, дуже скоро ендофіти можуть стати доступними для фермерів. Компанія IntrinsyxBio (м. Лос-Альтос, штат Каліфорнія) розпочинає продаж деяких ендофітів, відкритих Доті. Головний науковий співробітник компанії Джон Л. Фріман відзначив в інтерв’ю, що компанія буде готова вивести продукт на ринок у 2019 році. Планується представити декілька штамів, які потраплятимуть в рослини на етапі дражування насіння (seed coating). Опинившись всередині рослин, ендофіти зможуть забезпечити близько 25 відсотків необхідного азоту.

Інша біотехнологічна компанія Pivot Bio нещодавно оголосила про проведення бета-тестування аналогічного рішення з використанням азотодобуваючих мікробів, які ростуть у кореневих системах кукурудзи.

Молода галузь синтетичної біології також розв’язує проблему азоту. Біотехнологічна компанія Joyn Bio (спільний проект компаній Bayer та Ginkgo Bioworks, створений минулого вересня у Бостоні), що має досвід створення дріжджів та бактерій для харчової та ароматичної промисловості, сьогодні працює з картотегою мікробів Bayer, намагаючись знайти найбільш придатний різновид з більш ніж 100 000 мікробів, здатних успішно колонізувати рослини подібно до ендофітів Доти. Потім вони планують вдосконалити цей різновид генами, завдяки яким він зможе добувати азот.

«Замість того, щоб покладатися на природу і шукати чарівний мікроб, якого, думаємо, не існує, ми хочемо знайти підходящий мікроорганізм й підкорегувати його відповідно до наших цілей для кукурудзи та пшениці», – говорить генеральний директор Joyn Майкл Мійл .

Фонд Білла й Мелінди Гейтс також долучився до досліджень й підтримує розробки, спрямовані на відтворення в зернових культурах механізмів добування азоту, якими користуються бобові культури. Інші дослідники сподіваються, що поява надпотужних квантових комп’ютерів відкриє нові можливості з удосконалення ефективності механізму Хабера-Боша в хімічній галузі.

І хоча малоймовірно, що якесь одне рішення зможе замінити 100% синтетичних добрив, всі разом ці проекти могли б значно знизити рівень забруднення, що спричиняє азот. Беннетт сподівається, що Sierra Mixe та висновки, які його команда зробила, досліджуючи цей сорт, стануть частиною революції азоту. Хоча він і визнає, що знадобиться ще багато часу перш ніж особливості відкритого сорту зможуть бути перенесені на звичайні культури. Наразі він хоче визначити, які гени відповідають за формування повітряного коріння і який із тисяч мікробів, виявлених в слизовій тканині, власне добуває азот.

«Я думаю, те, що ми робимо, може бути доповненням до інших підходів [ендофітів та синтетичної біології], – говорить він. – Вважаю, скоро з’явиться багато різних стратегій, і через 5-10 років ми відкриємо механізм впливу на вироблення кукурудзою азоту».

Підготовано за матеріалами smithsonianmag.com

© Kurkul.com, 2018 р.