Революционная кукуруза

Свободна от удобрений. Встречайте!

В будущем кукуруза не потребует удобрений. И это будущее уже пришло. Изобретение, сделанное Аланом Беннетом и его командой, навсегда изменит мир.

Звоним в Калифорнию

В Соединенных Штатах ежегодно высаживают более 36 млн. га кукурузы – это почти в десять раз больше, чем в Украине. У нас эта культура занимает около 15% пахотных земель, тогда как в США она вместе с соей являются основными культурами. Известно, что кукуруза нуждается в большом количестве удобрений. Данные разнятся, но в Соединенных Штатах каждый год под кукурузу применяют 5,6 млн. т удобрений, преимущественно азотных. У нас эта цифра, соответственно, в 10 раз меньше, однако также впечатляющая.

Азот является необходимым веществом для жизни растений, а от мысли, что 78% этого химического элемента содержится в воздухе, но воспользоваться им, как это делают бобовые культуры, кукуруза не может – становится грустно. И оказывается, что такая возможность у нее уже появилась! На вопросы журнала «Зерно» ответил изобретатель Алан Беннет.

– Меня всегда удивляло, что бобовые культуры, такие как соевые бобы, например, или фасоль, горох, вигна, люпин белый, клевер, люцерна и др., имеют естественный механизм воспроизводства азота, – рассказывает Алан Беннет, профессор Калифорнийского университета в Дэйвисе – он является автором уникальной кукурузы, о которой пойдет речь дальше. 

– Клубеньковые бактерии – достаточно многочисленная группа почвенных микроорганизмов-азот-фиксаторов – приспособились к совместной жизни с бобовыми растениями и научились пользоваться услугами друг друга. Бобовые создают условия, необходимые для фиксации азота из воздуха бактериями, а эти «мини-фабрики» по производству аммонийных соединений азота отдают избыток связанного азота растениям, обеспечивая таким образом, полностью или частично, их потребность. Кукуруза же не имеет такого симбиоза с почвенными бактериями, и фермеры вынуждены полагаться лишь на внесение удобрений.

Профессор Беннет является главой команды разнопрофильных специалистов, которые на протяжении последних 15 лет работали над азотвосстанавливающей кукурузой. Выводы их удачной долговременной работы были опубликованы 7 августа в специализированном журнале PLOS Biology. Эта публикация может стать мейнстримом в селекции кукурузы, поскольку ученые получили сорт, который преобразует азот из атмосферы в приемлемую для себя форму. Азотвосстанавливающая кукуруза не нуждается в синтетических удобрениях, или её потребность в них существенно снижается. Если дальнейшие исследования приобретут массовый характер (а похоже, что так и произойдет, поскольку многие университеты со всего мира обратились к господину Алану для получения технологических инструкций), то этот признак может быть введен в привычные сорта кукурузы, в несколько раз снизив их потребность в удобрениях и открывая возможность выращивать кукурузу в бедных регионах, где доступ к удобрениям ограничен.

– Я не могу назвать это открытием, – говорит Алан. – Над этим исследованием наш университет работает уже на протяжении 40 лет. И для меня честь, что именно у моей команды получилось вывести нужный признак. Это не везение, ни в коем случае! Это огромный труд, который рано или поздно должен был увенчаться успехом.

Неизбежное открытие

Кукуруза была дикой еще 10 тысяч лет назад. Ее одомашнивание происходило в Мексике. Такое огромное сегодняшнее многообразие объясняется тем, что из природной среды (вся дикая кукуруза росла на юге страны) местные жители брали образцы дикой культуры и развозили в свои поселения по всем уголкам Мексики, где постепенно одомашнивали это растение. Под влиянием различных климатических условий, почв и методов почвообработки появилось огромное количество одомашненных сортов, характерных для определенной среды. Это генетическое многообразие и дало возможность подбирать нужные для исследования образцы.

– Еще профессор Ховард-Яна Шапиро, мой коллега, заметил, что в Мексике есть территории с очень бедными азотом почвами, – рассказывает о начале эксперимента профессор Алан. – В давние времена кукурузу здесь не удобряли никак, но она давала урожай в течение тысячелетий. Мы задумались над тем, как ей это удавалось.

Более 10 лет исследователи искали такие первичные сорта кукурузы, которые называли лендрасами. В 80-х годах ХХ века Ховард-Яна Шапиро нашел кукурузу, которая дает неплохой урожай на участках, очень бедных азотом. Исследователь предположил тогда, что это связано с присутствием на растении бактерий, участвующих в фиксации азота.

Лишь после 2000 года, вследствие появления новейших биохимических и генетических технологий, удалось доказать причастность бактерий к восстановлению азота кукурузой. Это исследование проводила специально созданная группа ученых, специализировавшихся в области общей ботаники, микробиологии, генетики и агрономии. В 2006 году начался проект, результаты которого дали возможность значительно улучшить генетический потенциал, и будут содействовать в дальнейшем продовольственной безопасности многих стран.

Объяснение для общественности

Кукуруза, которая стала основой для исследования – тропическая, найденная в регионе Сьерра-Мише. Она выглядит как высокое дерево по сравнению с традиционными разновидностями. Вырастает до 5 м и имеет диаметр стебля 10 см. Растет этот гигант медленно, около 8 – 9 месяцев, вместо привычных для нас трех. Тропическая кукуруза выпускает воздушные корешки не только на нижней части стебля, но и по всей его длине.

На протяжении длительного времени и в результате многочисленных экспериментов удалось получить растение, которое выделяет из этих корешков слизь, способную стать питательной средой для азотфиксирующих бактерий. Подробнее о том, как удалось этого достичь, пойдет речь ниже.

Сейчас отметим, что в ходе работы была получена кукуруза Sierra Міхе, способная поглощать из атмосферы от 28% до 82% азота. На определенном этапе развития растение выделяет на воздушных корешках гелеобразное вещество с высоким содержанием сахаров, которое является идеальной средой для бактерий, способных поглощать азот из среды и превращать его в доступную для растения форму.

– Правильно подобранные бактерии дают возможность растению стать независимым от внешнего внесения азота, – подводит итог своей работы соавтор изобретения Жан-Мишель Анэ. – Мы имеем многочисленные подтверждения наших исследований не только в Мексике, где первично проходили испытания, но и в штате Висконсин (США).

Исследователи уверены в коммерческом успехе своей программы, ведь кукуруза является одним из основных потребителей азотных удобрений, на производство которых расходуется 1 – 2% энергозатрат в общем производстве удобрений. Экологи уже оценили изобретение, предположив, что сокращение объемов удобрений существенно снизит выбросы CO₂ в атмосферу.

Наиболее удовлетворено результатом, пожалуй, руководство Мексики, поскольку, согласно Нагойскому протоколу, государство будет получать роялти по продажам Sierra Міхе как страна, на территории которой было сделано открытие.

– Мы достигли научной цели, которую ставили перед собой, – резюмирует профессор Алан. – Однако будем делать все от нас зависящее, чтобы сделать наше изобретение доступным для общественности, популярным.

Объяснения для специалистов

Выбор растений

Растения существуют в тесной связи с микробными сообществами и оказывают взаимное влияние на свойства друг друга. Они связаны обменом питательных веществ, микроорганизмы в таком симбиозе зависят от общего развития растения и его здоровья, реакций на абиотические стрессы и пр. Наиболее многочисленные популяции микроорганизмов живут в почве и образуют взаимосвязи с корневой системой растений. Самые многочисленные и наиболее разнообразные популяции бактерий Ргоteobacteria, Ваcteroidetes и Асtinobactегіа принимают непосредственное участие в процессах обмена веществ растения.

Корневая микробиота растения намного проще, чем микробиота почвы в целом. Это связано с избирательными потребностями растения, которые определяются метаболическими процессами. Исследование показало, что микроорганизмы, живущие в ризосфере, различаются в зависимости от сорта кукурузы. Таким образом, был найден сорт дикорастущей кукурузы лендраса, ризосфера которого содержала азотфиксирующий эндофит. Этот изолят был предварительно идентифицирован как новый штамм Вurkholdегіа. Была выдвинута гипотеза, что этот штамм мог сформировать примитивный симбиоз, сохранившийся во время одомашнивания кукурузы.

Исследователи также узнали, что изолированные хозяйства в районе Сьерра-Мише, штат Оаксака, Мексика, согласно их свидетельствованию, выращивали кукурузу в традиционной практике с небольшим количеством удобрений или вообще без них. В ходе исследования были выявлены нужные уникальные штаммы, которые, предположительно, могли участвовать в восстановлении азота.

В том же районе была обнаружена кукуруза, основным признаком которой было большое количество воздушных корней, покрывавшихся в определенные периоды густой слизью. По мнению ученых, эта слизь могла быть ценным источником углерода для некоторых ризосферных бактерий. Роль воздушных корней у кукурузы не исследована, поэтому группа ученых во главе с профессором Аланом решила использовать ее в качестве потенциальной платформы для азотвосстанавливающих микроорганизмов.

Локально культивируемая пятиметровая кукуруза Sierra Mixe была ценным образцом по причине интенсивного формирования воздушных корней на каждом узле. Это нехарактерный для кукурузы признак, поскольку воздушные корни у большинства сортов кукурузы отмирают или прекращают развиваться в тот период, когда растение переходит от ювенальной ко взрослой фазе роста. Со Sierra Mixe этого не происходит. Напротив, на протяжении всего периода вегетации её воздушные корни развиваются. Их было в 3 – 4 раза больше, чем у других сортов, а в период с июля по сентябрь они еще и выделяли слизь.

Исследование слизи показало, что она богата арабинозой, фукозой, галактозой (при наличии влаги). Эти сахара формируют сложный полисахарид, который, вероятно, способствует вязкости и может быть разбит на моносахариды для поддержания роста микроорганизмов и обмена веществ. Слизь у данного сорта кукурузы выделяется не только воздушными, но и подземными корнями. Подземные корни также имеют высокое содержание фукозы и арабинозы, но уже в половинной концентрации.

Фиксация азота способствует питанию кукурузы

В ходе исследования была выделена линия кукурузы, которая давала большое количество слизи (за этот признак отвечали лишь 6 генов). Ученые решили выяснить, будет ли происходить обновление азота, если заселить нужные штаммы в очищенную слизь.

Они провели опыт со слизью и обнаружили, что даже при двухнедельном замораживании при –80°С, когда слизь становится стерильной, она остается пригодной для заселения новыми штаммами Burkholderia.

Передача азота от слизи в растения продемонстрировала потенциал этого дизатрофического сообщества и его способность участвовать в азотном питании растения. Однако для учёных основным остаётся вопрос: будет ли эксперимент таким же успешным в полевых условиях?

Перенос фиксированного азота из атмосферы в растение кукурузы Sierra Mixe впервые был оценен в полевых условиях 2006 года с использованием природных изотопов 15N. Этот метод должен был показать, откуда растение будет восстанавливать азот: из воздуха или из почвы. В результате растения, которые имели возможность получать азот из атмосферы, демонстрировали увеличенное поглощение соединения, по сравнению с растениями, принимающими азот лишь из почвы.

В 2006 году с каждого из двух экспериментальных полей были собраны образцы кукурузы Sierra Mixe и эталонные растения с Asterасеае и Ranunculaceae (сортов с пониженной возможностью фиксации азота), растущие на одном участке. Ученые хотели провести ассимиляцию и одомашнивание Sierra Mixe и через несколько лет достигай цели. В течение 2010, 2011 и 2012 годов удалось снизить высоту кукурузы до 3,5 метров, не потеряв свойств растения. В следующие 7 лет, начиная с 2010-го, на истощенных малоазотистых почвах делали замеры урожайности кукурузы Sierra Mixe и других сортов, которые не были способны фиксировать азот. Sierra Mixe давала в среднем 4,5 т/га, тогда как обычная кукуруза – менее 2 т/га.

…Изобретение азотфиксирующей кукурузы – это, безусловно, прорыв в селекции. Однако пройдет не менее 10 лет до того момента, когда мы сможем воспользоваться результатом в промышленном масштабе. Введение признака в геноплазму вида – это не такая простая задача. Основная проблема, с которой столкнутся ученые – сложности с сокращением сроков созревания азотфиксирующей кукурузы. Дело в том, что введение нужного признака в привычные нам сорта будет долгим, поскольку подбор будущего сорта, способного сохранять азотфиксирующие признаки без потери урожайности и выравнивание генетической линии до гибрида нуждаются в длительных полевых экспериментах.

Остается открытым и вопрос того, каким образом бактерии Burkholderia будут попадать на покрытые слизью воздушные корни. Возможно, зерна кукурузы следует предварительно обрабатывать нужным штаммом, а может, придется распылять штамм с помощью авиации. Кроме того, есть риски заселения слизи патогенными микроорганизмами, агрессивными для Burkholderia.

Однако ученые из Калифорнийского университета в Дэйвисе не падают духом и настроены на сотрудничество с другими институтами и селекционными станциями. У господина Алана Беннета есть планы на создание азотвосстанавливающего рапса, поскольку теоретически это растение также имеет потенциал к симбиозу с полезными бактериями.
 

Лада Антомонова