Прошедшее экспертную оценку исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, описывает новую технологию, которая может революционно изменить вековой подход к обеспечению посевов азотом. В исследовании, совместно проведенном исследователями из Висконсинского университета в Мадисоне, Университета Пердью и компании Pivot Bio, являющейся лидером в области устойчивого сельского хозяйства, представлены первые в своем роде свидетельства того, что редактирование генома повышает способность микробов фиксировать азот из атмосферы и переносить его на зерновые культуры.
Используя маркированный изотопом азот, исследователи проследили содержащийся в воздухе азот до хлорофилла в листьях кукурузы, предоставив доказательство того, что он был получен из воздуха микробами с отредактированным геномом. Полевые исследования также показали, что фиксация азота и обеспечение им посевов этими микробами сопоставимо с 40 фунтами синтетического азотного удобрения при аналогичной урожайности.
Попытки повысить эффективность азотных удобрений ведутся уже давно. «Основная проблема, — объясняет доктор Бруно Бассо (Bruno Bass), профессор экологии Мичиганского университета, принимавший участие в исследовании, — заключается в том, что система почва-растение-атмосфера чрезвычайно сложна». Непредсказуемые погодные условия затрудняют сопоставление потребности растений в питательных веществах и точное определение необходимого посевам количества азота, а также определение того, останется ли питательное вещество в почве. «Моя исследовательская лаборатория годами помогает фермерам, используя передовые технологии измерения и компьютерные модели, чтобы помочь им лучше понять свои поля и более эффективно использовать азотные удобрения для повышения прибыли и снижения воздействия на окружающую среду, например попадания питательных веществ в грунтовые воды и выброса парниковых газов в атмосферу».
Диазотрофы, особые виды бактерий, встречающихся в природе, обладают уникальной способностью превращать атмосферный газообразный азот в аммоний, структурный блок аминокислот и белков. Этот процесс, широко известный как биологическая фиксация азота (BNF), был основной формой питания сельскохозяйственных культур азотом на протяжении тысячелетий, пока не было изобретено синтетическое азотное удобрение.
«Длительное воздействие высоких концентраций азота в почве приводит к тому, что естественным образом находящиеся в почве диазотрофы теряют способность выполнять BNF. Это эволюционная реакция, направленная на сохранение энергии, потому что BNF является очень энергоемким процессом, — объясняет доктор Жан-Мишель Ане (Jean-Michel Ané), профессор бактериологии и наук о растениях и агроэкосистемах в Висконсинском университете в Мадисоне, соавтор исследования. — Нам нужно убедить эти бактерии поддерживать в средах с большим количеством азота, таких как синтетически удобренные почвы, BNF на высоком уровне».
Исследователи из Pivot Bio создали микробов с отредактированным геномом, используя нетрансгенные методы, чтобы диазотрофы могли продолжать снабжать посевы азотом даже в условиях высокого содержания азота. «Посредством редактирования генома мы не позволяем микробам замечать присутствие азота вокруг них, чтобы они продолжали фиксировать аммоний, доставляя его непосредственно в корневую систему, — сказал д-р Карстен Темме (Karsten Temme), директор по инновациям и соучредитель Pivot Bio и соавтор статьи. — Мы также внесли другие изменения, чтобы бактерии могли переносить фиксированный азот на урожай, а не оставлять его себе».
В документе представлены доказательства того, что этот процесс происходил как в лаборатории, так и на участках для полевых испытаний. Это также первая прошедшая экспертную оценку статья, в которой описывается коммерческий продукт компании Pivot Bio второго поколения для кукурузы PROVEN® 40, содержащий фиксирующих азот микробов с отредактированным геномом.
«Азотные удобрения, возможно, являются самым значительным изобретением прошлого века и в обозримом будущем сохранят важнейшее значение для мирового развития и продовольственной безопасности. Тем не менее, мы считаем, что их можно использовать лучше, — сказал доктор Темме. — Компания Pivot Bio направила свои усилия на повышение производительности сельского хозяйства за счет повышения эффективности использования азота благодаря нашим микробам с отредактированным геномом и снижению попадания синтетических удобрений в окружающую среду».
В этой области исследователи использовали различные изотопные эксперименты, чтобы еще раз показать фиксацию азота, на этот раз в реальных условиях, и количественно оценить уровни азота в растениях. Они также собрали сотни образцов у фермеров, которые снизили норму азотных удобрений на 35–40 фунтов азота на акр, заменив ее на PROVEN 40 компании Pivot Bio. В среднем, исследователи обнаружили, что растения, обработанные PROVEN 40, имели более высокий уровень азота в начале сезона и их урожайность не снизилась, хотя они и получили меньше синтетических удобрений.
«Азот очень трудно отслеживать, поскольку он поступает из воздуха в микробов, а затем в растение. Мы полагаемся на различие изотопных сигнатур атомов азота, поступающих из воздуха, и сигнатур атомов азота, содержащихся в почве», — объясняет доктор Ане. Эти измерения позволили исследователям обнаружить в лаборатории маркированный изотопами азот в хлорофилле листьев кукурузы, что является признаком доставки этого азота микробами растению.
«Это тщательное исследование является многообещающим, потому что оно означает, что фермеры смогут начать сокращать использование азотных удобрений без снижения производительности: это отвечает интересам фермеров и полезно для окружающей среды, — сказал д-р Темме. — Это очень интересно, потому что данная технология хорошо масштабируется. Наши продукты уже используются на более чем 13 миллионах акров в США с момента начала их коммерческого производства пять лет назад, что оказывает реальное влияние».
Доктор Бассо соглашается. «В случае совершенствования этой технологии и повышения обеспечения сельскохозяйственных культур азотом, и если будет показано, что это приводит к сокращению загрязнения окружающей среды и углеродного следа сельского хозяйства в целом, ситуация с управлением использованием азота может в корне измениться. Чем больше мы будем заменять синтетические удобрения на более эффективные и экологичные источники азота для поддержания урожайности, тем лучше это будет для фермеров, сообществ и окружающей среды».
Полный текст статьи можно найти в журнале Scientific Reports. Scientific Reports, основанный в 2011 году, является журналом с открытым доступом издательства Nature Portfolio, в котором публикуются заметные оригинальные исследования в области естественных и клинических наук. Журнал известен строгим процессом рецензирования.
