Исследователи продемонстрировали, что генетический механизм, ответственный за биологическую фиксацию азота, может быть перенесен в новые штаммы бактерий, обеспечивая более четкое понимание того, как этот важный сельскохозяйственный признак распространяется в природе, и потенциально открывает новые возможности для снижения зависимости сельского хозяйства от синтетических азотных удобрений.
Результаты, опубликованные вТекущая биология28 мая сосредоточьтесь на диких ризобиях-почвенных бактериях, которые образуют симбиотические отношения с бобовыми культурами, такими как горох и фасоль. Эти бактерии преобразуют атмосферный азот в формы, которые могут использовать растения, позволяя бобовым расти с небольшим количеством внешних азотных удобрений или вообще без них. Ученые говорят, что исследование проливает свет на то, как гены, управляющие этим симбиозом, могут быть приобретены бактериальными линиями, у которых ранее не было такой возможности, что является ключевым шагом на пути распространения биологической фиксации азота на другие культуры.
Понимание генетической основы симбиоза
Исследование, проведенное Анжеликвой П. Монтойей и его коллегами, изучило эволюционную геномику новых эндосимбиотических отношений у диких ризобий. Отслеживая, как гены,-фиксирующие азот, перемещаются между популяциями бактерий, исследователи смогли определить генетические пути, которые позволяют бактериям устанавливать успешные партнерские отношения с растениями.
Азотфиксация у бобовых зависит от специализированных корневых клубеньков, в которых ризобии получают углеводы от растения-хозяина в обмен на биологически фиксированный азот. Хотя эта взаимосвязь развивалась естественным путем на протяжении миллионов лет, ученые уже давно ищут способы воспроизвести аналогичные системы на не-бобовых культурах.
Исследование предоставляет новые доказательства того, что генетические черты, необходимые для симбиоза, могут распространяться среди бактериальных линий, а это позволяет предположить, что эволюция партнерств по фиксации азота-может быть более гибкой, чем считалось ранее. Такие результаты могут помочь исследователям определить генетические предпосылки, необходимые для установления аналогичных взаимоотношений у бактерий, связанных с зерновыми культурами.
Почему этот прорыв важен для рынков удобрений
Значение биологической фиксации азота выходит далеко за рамки биологии растений. Большинство основных мировых культур,-включая пшеницу, кукурузу и рис-не могут связывать атмосферный азот и поэтому сильно зависят от азотных удобрений, производимых с помощью процесса Габера-Боша.
Производство аммиака, основы азотных удобрений, — один из наиболее энергоемких-промышленных процессов в мире, который по-прежнему сильно зависит от цен на природный газ, геополитических потрясений и торговых ограничений. Недавняя нестабильность на рынках удобрений, в том числе проблемы с поставками, связанные с транспортными маршрутами на Ближнем Востоке и экспортным контролем со стороны основных стран-производителей, возобновили интерес к технологиям, которые могли бы снизить зависимость от синтетического азота.
Если бы зерновые культуры смогли получить значительную долю своего необходимого азота за счет биологической фиксации, долгосрочные-последствия для спроса на удобрения могли бы быть существенными. Хотя до такого перехода еще далеко, он привлек значительные инвестиции со стороны сельскохозяйственных биотехнологических компаний, разработчиков биологических материалов и крупных поставщиков питательных веществ,-которые ищут более устойчивые решения-управления питательными веществами.
Опираясь на предыдущие достижения
Новое исследование дополняет растущий объем исследований, направленных на понимание молекулярных механизмов, управляющих симбиозом растительных-микробов. Предыдущие исследования выявили специфические растительные белки, сигнальные пути и реакции,-опосредованные кальцием, которые определяют, принимают или отвергают растения азот-фиксирующие бактерии.
Исследователи уже продемонстрировали доказательства-модификации-концепции на модельных растениях и некоторых видах злаков, включая ячмень, показывая, что компонентами симбиотической сигнальной сети можно манипулировать. Однако достижение надежной и экономически значимой фиксации азота в основных зерновых культурах остается одной из наиболее амбициозных целей сельскохозяйственной науки.
Результаты исследования Current Biology открывают дополнительную перспективу, фокусируясь на микробной стороне взаимоотношений и показывая, как способность-фиксировать азот возникает и распространяется среди бактериальных популяций в естественной среде.
Коммерческое внедрение произойдет еще через несколько лет
Несмотря на научный прогресс, исследователи предупреждают, что практическое применение в сельском хозяйстве остается долгосрочной-целью. Демонстрация переноса генов и симбиотических способностей в диких бактериальных системах представляет собой важную научную веху, но еще предстоит решить серьезные проблемы, прежде чем такие открытия смогут быть воплощены в коммерческих продуктах.
За последнее десятилетие сектор биологических удобрений привлек значительный венчурный капитал и корпоративные инвестиции, однако отрасль также переживала неудачи, поскольку компании изо всех сил пытались воспроизвести результаты лабораторных исследований в полевых условиях. Достижение стабильной колонизации, достаточных показателей фиксации азота и экономической выгоды для производителей остается сложной задачей.
В результате последние результаты вряд ли окажут немедленное влияние на спрос на удобрения. Вместо этого они вносят вклад в растущую научную базу, которая в конечном итоге может поддержать разработку микробных технологий следующего-поколения, призванных дополнить или частично заменить применение синтетического азота.
Следующие шаги исследователей
Следующий этап исследований будет сосредоточен на том, могут ли генетические механизмы, выявленные в диких ризобиях, быть внедрены в виды бактерий, которые естественным образом связаны с корнями зерновых культур. Затем ученые должны определить, могут ли эти сконструированные микробные сообщества обеспечить достаточное количество биологически фиксированного азота, чтобы обеспечить измеримые агрономические выгоды в условиях коммерческого земледелия.
Успех будет представлять собой серьезный сдвиг в питании сельскохозяйственных культур, что потенциально позволит фермерам сократить использование удобрений, сохраняя при этом урожайность. Однако на данный момент эта работа остается ранним, но заметным шагом на пути к одной из наиболее востребованных-целей сельского хозяйства: предоставить основным зерновым культурам доступ к азоту посредством биологического партнерства, а не полностью полагаться на промышленные удобрения.
