Цианобактерии помогут растениям извлекать азот из воздуха

Уже в обозримом будущем растения смогут создавать свое собственное удобрение. Фермерам больше не нужно будет покупать дорогостоящие химикаты и вносить их в поля, а увеличение производства пищи поможет победить голод. Такие прогнозы могут сегодня звучать как фантастика, однако ученые из Университета Вашингтона (штат Миссури, США) действительно разрабатывают технологию, которая заставит растения самостоятельно производить удобрения.

Сегодня производительность сельского хозяйства во многом зависит от удобрений. Тем не менее, несмотря на все преимущества использования данных химикатов, их производство и применение также наносит существенный ущерб окружающей среде. Во-первых, сам процесс создания химических удобрений является сложным и энергозатратным, во время которого производится большое количество парниковых газов. Кроме того, под большим вопросом и сама эффективность азотсодержащих удобрений, основной задачей которых является доставка азота выращиваемым культурам — именно с помощью этого элемента растения производят хлорофилл, который впоследствии используется для фотосинтеза. Тем не менее, сегодня лишь 40% азота достается самим растениям, все остальное вымывается в водоемы или выходит в атмосферу.

Группа ученых из Университета Вашингтона, возглавляемая профессором Химадри Пакраси (Himadri Pakrasi) и биологом Маитрии Бхатачарией-Пакраси (Maitrayee Bhattacharyya-Pakrasi), ведет исследование особой цианобактерии, способной удерживать содержащийся в атмосфере азот. Исследователи надеются, что изучив данный механизм, им удастся в будущем вывести новые сорта растений, способные делать то же самое.

Цианобактерии, или синезеленые водоросли, известны своей способностью к фотосинтезу, кроме того, они обладают циркадным ритмом, а бактерия Cyanothece, используемая в проекте, кроме всего прочего, примечательна еще и тем, что способна извлекать азот даже несмотря на негативное воздействие кислорода, выделяющегося в результате фотосинтеза. Таким образом Cyanothece производит фотосинтез днем, превращая солнечный свет в химическую энергию, а ночью извлекает из атмосферы азот, удаляя посредством дыхания большую часть кислорода, произведенного во время фотосинтеза.

Сперва ученые хотят перенести гены, отвечающие за дневной фотосинтез и ночной захват азота у Cyanothece, на другую бактерию — Synechocystis. Для того, чтобы найти правильную последовательность генов, каманда искала соответствующие признаки в циркадном ритме у Cyanothece.

«Нам удалось обнаружить смежный набор из 35 генов, которые были активны только ночью», — рассказал Маитрия Бхатачария-Пакраси.

Первоначально после переноса набора генов в Synechocystis последняя показала способность извлекать азот в размере лишь 2% от производительности своего донора, Cyanothece. Дела пошли лучше, когда ученые стали удалять часть перенесенных генов — с 24 генами бактерия стала извлекать азот в размере 30% от производительности донора. В ходе эксперимента также удалось обнаружить, что даже незначительное увеличение кислорода в реакции (до 1%) приводит к заметному сокращению извлекаемого азота.

«Это в целом означает, что инженерный план возможен. Я должен отметить, что такие результаты намного превзошли мои ожидания», — заявил руководитель проекта.

Теперь команде ученых предстоит еще глубже понять детали процесса, еще больше сузив подмножество генов, отвечающих за фиксацию азота, и перейти к совместной работе с другими учеными для перехода проекта на новую стадию — разработку азотфиксирующих растений.

Данный проект уже получил грант в размере 3,7 млн. долл. от Национального научного фонда.