Европейские ученые близки к созданию самоудобряющихся культур

Исследователи из Орхусского университета (Дания) обнаружили молекулярный механизм в иммунных рецепторах растений, который можно перепрограммировать для формирования симбиоза с азотфиксирующими бактериями. В перспективе это открытие может существенно снизить зависимость сельского хозяйства от синтетических азотных удобрений.

Исследование, проведенное под руководством профессоров Каспера Рёйкьера Андерсена и Симоны Радутойу с кафедры молекулярной биологии и генетики университета, было опубликовано в журнале Nature в ноябре 2025 года. В последние месяцы работа привлекла повышенное внимание на фоне обострения мирового кризиса поставок удобрений и поиска альтернатив традиционным источникам азота.

Открытие: Symbiosis Determinant 1

В основе открытия лежит небольшой участок белка, который ученые назвали Symbiosis Determinant 1 («детерминант симбиоза 1»). Он расположен в рецепторах корней растений и действует как своеобразный молекулярный переключатель. Именно он определяет, будет ли иммунная система воспринимать почвенные бактерии как угрозу или, наоборот, позволит им вступить с растением в симбиотические отношения.

У бобовых культур — гороха, фасоли и клевера — специальные бактерии проникают в ткани корней, где превращают атмосферный азот в аммиак, который растение может непосредственно использовать. Благодаря этому процессу, известному как биологическая фиксация азота, бобовые способны расти практически без внесения синтетических азотных удобрений. Их корневые рецепторы распознают полезные бактерии и подавляют иммунную реакцию, которая в противном случае препятствовала бы их проникновению.

У небобовых культур, таких как пшеница, кукуруза и рис, такой способности нет. Их иммунные рецепторы воспринимают азотфиксирующие бактерии как патогены и запускают защитную реакцию, не позволяя сформироваться симбиозу.

Исследователи Орхусского университета выяснили, что это различие определяется всего двумя аминокислотами — двумя молекулярными элементами в участке Symbiosis Determinant 1 рецепторного белка. Изменив только эти две аминокислоты у модельного бобового растения Lotus japonicus, ученые превратили рецептор, запускающий иммунный ответ, в рецептор, обеспечивающий симбиоз с азотфиксирующими бактериями. Первые эксперименты на ячмене также дали положительные результаты, указывая на возможность применения этого подхода и к другим зерновым культурам.

Почему это важно

Значение этого открытия трудно переоценить. Производство синтетических азотных удобрений с использованием процесса Габера-Боша, при котором атмосферный азот соединяют с водородом, получаемым из природного газа, сегодня потребляет около 2% всей мировой энергии и сопровождается значительными выбросами CO₂.

Кризис вокруг Ормузского пролива еще раз продемонстрировал уязвимость мировых поставок азотных удобрений. Сокращение производства и экспорта в странах Персидского залива привело к тому, что только в 2026 году цены на карбамид выросли более чем на 50%. По оценке генерального директора Yara International, это поставило под угрозу обеспечение примерно 10 млрд порций пищи в неделю.

Культуры, способные самостоятельно обеспечивать себя азотом по примеру бобовых, не избавят сельское хозяйство от необходимости использовать удобрения полностью, однако могут значительно сократить их потребление при выращивании основных зерновых культур, составляющих основу мирового продовольственного производства.

Путь к практическому применению

До появления таких культур в сельском хозяйстве предстоит решить еще множество научных задач. Биологическая фиксация азота требует больших затрат энергии: бактерии получают от растения значительное количество углерода в обмен на производимый ими аммиак. Бобовые давно приспособились к такому обмену, тогда как зерновые культуры подобной способностью не обладают.

Кроме того, необходимо научить растение контролируемо пропускать бактерии внутрь тканей корня, где и происходит симбиоз. Это значительно более сложная задача, чем простое изменение рецепторных белков.

Исследователи рассматривают два основных пути дальнейшей работы. Первый предполагает использование азотфиксирующих бактерий для обработки существующих сортов зерновых культур. Второй — создание растений, в геном которых будут встроены механизмы, необходимые для фиксации азота. Разработка ученых Орхусского университета представляет собой важный шаг именно в реализации первого подхода.

Источники: Anthropocene Magazine, Nature (DOI: 10.1038/s41586-025-09696-3)