У найближчі десятиліття людству доведеться прогодувати ще мільярди людей на планеті, яка перебуває під тиском. екстремальні хвилі спеки, сильні посухи та деградовані ґрунтиЗ огляду на цей сценарій, спосіб, яким ми культивуємо та розуміємо рослини, швидко змінюється, і одним із найцікавіших напрямків досліджень є те, що в розмовній мові називають «рослинами, що дихають азотом».
За цією вражаючою ідеєю криється гігантський виклик: отримати врожай, який матиме змогу використовувати азот з повітря та зменшити залежність від хімічних добривАдаптуючись до теплішого, сухішого та мінливішого клімату, провідні центри, такі як Центр рослинної біотехнології та геноміки (CBGP), вже повністю залучені до вирішення цього завдання, поєднуючи біотехнологію, екологію та стале сільське господарство для підтримки виробництва продуктів харчування у світі, що постійно змінюється.
Чому азот такий важливий для рослин?
Це може здатися перебільшеним, але без азоту не було б життя, яким ми його знаємо, оскільки цей елемент є ключовим для формування рослин. білки, ферменти та пігменти, необхідні для фотосинтезуБез достатнього джерела азоту культура не може добре рости, виробляти біомасу або давати прийнятний урожай.
Хоча повітря, яким ми дихаємо, складається приблизно з 78% газоподібного азоту (N₂)Рослини не можуть використовувати його безпосередньо. Атмосферний азот дуже стабільний, і більшості живих організмів бракує біохімічних інструментів для розщеплення цієї молекули та перетворення її на корисні сполуки, такі як амоній або нітрат.
У природних умовах рослини отримують азот переважно з ґрунту у вигляді іони нітрату (NO₃⁻) та амонію (NH₄⁺)Ці поживні речовини надходять в результаті розкладання органічної речовини або в результаті процесів біологічної фіксації, що здійснюються мікроорганізмами. Коли ґрунт бідний на азот, рослини страждають від хлорозу, погано ростуть, а їхня продуктивність різко падає.
Щоб компенсувати це обмеження, сучасне сільське господарство покладається на синтетичні добрива, які постачають велику кількість азоту. Проблема полягає в тому, що модель стала нестійкий через високе споживання енергії, вуглецевий слід та забруднення ґрунту, води та атмосфери, пов'язані з надмірним використанням хімічних добрив.
Значна частина сучасних досліджень зосереджена на розумінні та кращому використанні природних стратегій, за допомогою яких деякі організми та деякі рослинно-мікробні асоціації здатні фіксувати атмосферний азот та робити його доступним для екосистем.
Біологічна фіксація азоту: трюк бактерій
Хоча рослини не можуть використовувати газоподібний азот безпосередньо, деякі бактерії можуть, завдяки високоспеціалізований фермент, який називається нітрогеназоюЦей білок здатний розщеплювати атмосферний N₂ та перетворювати його на азотисті сполуки, які з часом стають частиною харчового ланцюга.
Ці азотфіксуючі бактерії знаходяться як вільно в ґрунті, так і в тісному контакті з корінням певних видів рослин. Деякі з них утворюють дуже тісні симбіотичні стосунки з рослинами, проживання всередині спеціальних структур що формуються в коренях і дозволяють дуже тонко налаштований обмін ресурсами.
У так званих симбіотичних азотфіксуючих рослинах рослина є господарем бактерій та постачає її цукрами, отриманими шляхом фотосинтезу, тоді як мікроорганізм відповідає тим самим. забезпечення «новим» азотом з атмосфериЦей обмін настільки ефективний, що може покрити значну частину потреб врожаю та збагатити ґрунт для майбутніх рослин.
Коли ці рослини, пов'язані з бактеріями, завершують свій життєвий цикл, а їхні залишки потрапляють у ґрунт, азот, накопичений у їхніх тканинах, вивільняється через процес, відомий як азотна мінералізаціяОрганічна речовина розкладається, а органічний азот перетворюється на амоній та нітрати, форми, які інші рослини можуть легко засвоювати.
Таким чином, рослинні угруповання, що містять азотфіксатори, відіграють вирішальну роль у природна родючість багатьох екосистем та сільськогосподарських системзменшуючи потребу вносити стільки зовнішніх добрив.
Рослини, що «дихають» азотом: бобові, бульбочкові та симбіоз
Найвідомішою групою рослин, пов'язаних з азотфіксуючими бактеріями, є бобові, величезна родина, яка включає такі повсякденні культури, як горох, квасоля, сочевиця, нут, боби або конюшинаЦі види протягом еволюції розвинули здатність утворювати бульбочки на своєму корені, щоб забезпечити притулок для певних бактерій.
У цьому зв'язку рослина випромінює хімічні сигнали в кореневу зону, які приваблюють певні ґрунтові бактерії, здатні фіксувати азот. Після встановлення контакту починається формування коріння. спеціалізовані структури, які називаються вузликамиякі діють як невеликі, захищені «біологічні реактори», де бактерії живуть і працюють за відповідних умов.
У цих бульбочках бактерії фіксують атмосферний азот і перетворюють його на азотисті сполуки, які надходять у рослину, тоді як рослина надсилає бактеріям цукри та інші сполуки, щоб підтримувати їхню активність. Хоча ці мікроорганізми не здійснюють фотосинтез, вони залежать від хімічна енергія, що виробляється рослиною завдяки сонячному світлу.
Практичний результат полягає в тому, що культура отримує безперервне джерело азоту без потреби внесення стільки зовнішніх добрив, і частина цього азоту залишатиметься в ґрунті, коли рослина гине або коли рослинні рештки вносяться в ґрунт за допомогою сільськогосподарських практик. Фактично, Розкладання решток бобових значно збагачує ґрунт азотом.
Цей механізм пояснює, чому бобові культури часто використовуються в сівозмінах або як сидерати: вони не тільки виробляють їжу, але й допомагають покращити родючість ділянки та підтримати більш стійкі системи ведення сільського господарства в середньостроковій і довгостроковій перспективі.
Поширення та різноманітність азотфіксуючих рослин
Екологічна роль рослин, пов'язаних з азотфіксуючими бактеріями, настільки важлива, що кілька наукових груп детально вивчили їхнє широкомасштабне поширення. У Сполучених Штатах дослідники з різних центрів, таких як Музей природної історії Флориди та університети Луїзіани та МіссісіпіВони проаналізували записи про місцеві та інвазивні види в десятках місць, щоб краще зрозуміти цю закономірність.
На перший погляд можна подумати, що в ґрунтах, бідних на азот, має бути більша кількість та різноманітність ґрунтофіксуючих рослиноскільки його конкурентна перевага була б більшою в середовищах, обмежених цією поживною речовиною. Однак детальний аналіз суттєво підтверджує цю, здавалося б, логічну ідею.
Порівнюючи різні регіони, дослідники спостерігали, що кількість азотфіксуючих рослин мала тенденцію до збільшення площ з меншою кількістю азоту в ґрунтіЦе справді узгоджується з класичною гіпотезою. Але вони також помітили, що зі збільшенням сухості середовища загальна присутність цих рослин зменшувалася.
Найбільш вражаючим відкриттям було те, що, коли вони розглядали різноманітність природних азотфіксаторів, вони виявили іншу закономірність: Різноманітність місцевих ґрунтофіксуючих видів значно зросла в посушливі регіонинезалежно від кількості азоту, присутнього в ґрунті. Тобто, там, де водні умови суворіші, ареал місцевих азотфіксуючих рослин може бути дуже широким.
Ці результати показують, що у великих масштабах розподіл рослин, що містять азотфіксуючі бактерії, залежить не лише від азоту ґрунту, а й від складної комбінації факторів, таких як доступність води, еволюційна історія та динаміка рослинних угрупованьРозуміння цих закономірностей є ключем до розробки сільськогосподарських систем, які краще підходять для кожного регіону.
Роль CBGP: біотехнологія рослин в умовах зміни клімату
Хоча в екологічному розумінні рослин, що закріплюють кореневу систему, досягається прогрес, дослідницькі центри, такі як Центр рослинної біотехнології та геноміки (CBGP), пов’язані з Політехнічним університетом Мадрида, зосереджуються на іншому фронті: адаптації сільськогосподарських культур до екстремального клімату, який ми вже переживаємо і який посилиться в найближчі десятиліття.
Прогнози показують, що приблизно до середини століття 9.700 мільйонів осіб на планеті, яка є гарячішою, сухішою та схильною до набагато частіших екстремальних погодних явищ. 2024 рік вже був одним із найспекотніших за всю історію спостережень, а в Європі десятки тисяч смертей були пов'язані з хвилями спеки, причому Іспанія була однією з країн, які найбільше постраждали.
З огляду на цей сценарій, у CBGP вони навчаються комплексно як ростуть рослини, як вони взаємодіють з мікроорганізмами в навколишньому середовищі і як вони реагують на зміни навколишнього середовища, такі як підвищення температури, тривала посуха або засолення сільськогосподарських ґрунтів.
Одним з головних завдань центру є розробка нових сортів сільськогосподарських культур або вибір з існуючих тих, які здатні підтримувати прийнятну врожайність в умовах стресових умов навколишнього середовищаЦе означає не лише терпимість до несприятливих умов, але й відсутність значної залежності від зовнішніх факторів, таких як добрива та вода.
Щоб досягти цього, дослідники аналізують молекулярні механізми, які дозволяють певним рослинам краще протистояти стресам навколишнього середовища. Вони визначають захисні білки, сигнальні шляхи та ключові гени які активуються за екстремальних умов, і використовують цю інформацію для створення того, що вони називають «доказами концепції».
У цих тестах вони створюють трансгенні рослини, які накопичують певні білки або активують специфічні механізми толерантності, щоб перевірити, чи дійсно вони покращують свою продуктивність в умовах посухи, спеки або засолення. Таким чином, Вони експериментально перевіряють, які стратегії є найефективнішими. перш ніж розглядати масштабне застосування.
Більш стійкі культури: помідори, капустяні та продовольча безпека
Одним із видатних результатів цього підходу стала розробка рослини томатів з високою солестійкістюЦе дедалі поширеніша проблема в сільськогосподарських районах, де зрошення та інтенсивне випаровування призводять до концентрації солей у ґрунті. Команда CBGP розробила трансгенні сорти, стійкіші до таких рівнів солей.
Ці витривалі помідори вже дали початок Європейська патентна заявкаІдея полягає в тому, щоб поширити цю технологію на інші культури, особливо чутливі до засоленості, такі як горох, квасоля, кукурудза або полуниця. У разі успіху це стане величезною перевагою в районах, де якість зрошувальної води обмежена або ґрунти деградували.
Водночас група працює над перенесенням цих досягнень на так звані капустяні, родину рослин, до якої входять капуста, броколі та інші необхідні овочі у раціоні. Підвищення стійкості цих основних овочів означатиме захист дуже важливої складової продовольчої безпеки в умовах невизначеного клімату.
Однак, це не так просто, як просто ввести захисні білки, і все. Багато з цих білків належать до сім'ї, які також мають харчові алергениЦе вимагає вжиття додаткових запобіжних заходів. Не всі імунні білки є алергенними, але деякі можуть викликати реакції у чутливих людей.
З цієї причини CBGP має спеціалізовану команду з алергенів, яка ретельно оцінює ці білки. Їхня робота зосереджена на виявленні Які структурні характеристики роблять білок потенційним алергеном? а які ні, щоб можна було розробити безпечні біотехнологічні рішення для споживання людиною.
Такий суворий підхід є важливим для того, щоб інновації в генетично модифікованих або покращених культурах мали реальне місце на ринку, гарантуючи безпека харчових продуктів та відповідальний розвиток нових сортів які допомагають боротися зі зміною клімату, не створюючи додаткових проблем.
До зернових, які «дихають» азотом з повітря
Серед найамбітніших проєктів, що виконуються в CBGP, виділяється проєкт, який очолює дослідник. Луїс Рубіофінансується Фондом Гейтса. Його мету так само просто пояснити, як і важко досягти: зробити злаки здатними захоплювати та метаболізувати азот з повітрярізке зменшення залежності від хімічних добрив.
На відміну від бобових, основні культури, такі як рис, пшениця чи кукурудза, природним чином не утворюють таких потужних симбіотичних зв'язків з азотфіксуючими бактеріями. Вони також не мають внутрішнього механізму для самостійної фіксації N₂, оскільки У них відсутній фермент нітрогеназа які мають певні бактерії.
Команда Рубіо використовує як модель азотфіксуючу бактерію, пов'язану з хлібопекарськими дріжджами, відому як Azotobacter vinelandii (часто неправильно представлені в деяких ЗМІ), здатні ефективно фіксувати азот. Ідея полягає в тому, щоб перенести гени, що беруть участь у фіксації азоту, від цих бактерій до рослин.
У лабораторії дослідники працюють над введенням та скоординованою експресією цих бактеріальних генів у рослинних клітинах з метою забезпечення можливості для злаків... внутрішньо активувати функціональну систему фіксації азотуЦе величезний виклик, оскільки нітрогеназа дуже складна та надзвичайно чутлива до кисню, тому для її функціонування потрібні дуже специфічні умови.
Якщо цієї мети буде досягнуто, навіть частково, це може стати революцією для світового сільського господарства: зернові культури зможуть самостійно задовольняти значну частину своїх потреб у азоті, зменшуючи використання синтетичних добрив і, як наслідок, забруднення ґрунту, води та повітря, пов'язане з його виробництвом та застосуванням.
Хімічні добрива та сталий розвиток сільського господарства
Наразі азотні добрива є важливими для підтримки високих врожаїв. світове виробництво зерновихЗавдяки їм стало можливим прогодувати постійно зростаюче населення, але ця залежність має екологічну ціну, яку стає дедалі важче нести.
Промисловий синтез добрив споживає велику кількість енергії та викидає парникові гази; їх інтенсивне використання в польових умовах спричиняє забруднення повітря викидами оксидів азоту та аміакуа стік переносить нітрати до річок, водоносних горизонтів та морів, сприяючи таким процесам, як евтрофікація.
Крім того, надмірне використання добрив та певні методи управління можуть прискорити деградація сільськогосподарських ґрунтівзменшуючи їхню здатність утримувати воду та поживні речовини та залучаючи фермерів до замкненого кола залежності від зовнішніх ресурсів.
За словами дослідників з проекту самозапильних зернових, значне зменшення використання цих добрив може відкрити шлях до набагато більш сталого сільського господарстваМенше добрив означає менше викидів, пов'язаних з їх виробництвом, менше забруднення води та більшу ймовірність відновлення деградованих ґрунтів.
Кінцева мета — створити сорти рису, пшениці та кукурудзи, здатні значною мірою самозапліднюютьсявикористання азоту з повітря як основного джерела. Однак сама команда визнає, що це мета величезної технологічної складності, яка, ймовірно, вимагатиме десятиліть досліджень, перш ніж буде впроваджена у великих масштабах у польових умовах.
Найсучасніша інфраструктура: теплиці та ризотрони
Для реалізації цих проектів CBGP має потужності приблизно 1.900 м², присвячених вирощуванню рослин у контрольованих умовахЦентральним елементом цієї інфраструктури є теплиця площею близько 1.200 м², оснащена сучасними системами клімат-контролю та освітлення.
Ці теплиці дозволяють вирощувати різні види сільськогосподарського призначення або експериментальні моделі в ідеально регульованих умовах. температура, освітлення, вологість та склад субстратуЦе дозволяє відтворювати стресові сценарії, спричинені спекою, посухою або засоленням, для оцінки поведінки модифікованих або відібраних рослин.
На об'єкті є модулі утримання типу P2, спеціально розроблені для роботи з трансгенними рослинами. У цих приміщеннях температуру можна контролювати в широкому діапазоні, приблизно від 10 і 45 ºC, щось ключове для моделювання хвиль спеки або помірно холодних умов.
Крім того, теплиця включає систему автоматизоване цифрове фенотипування за допомогою роботів, які переміщуються проходами, щоб захоплювати зображення та дані з рослин. Ця система дозволяє здійснювати точний та масштабний моніторинг таких аспектів, як ріст, стан води та тяжкість симптомів стресу.
Ще одним дуже цікавим елементом інфраструктури є так звані ризотрони, структури, що складаються з прозорі пластини, що оголюють кореневу системуЗавдяки їм можна отримати детальні зображення коренів, виміряти їх ріст і товщину, а також проаналізувати, як вони реагують на різні продукти або умови навколишнього середовища.
Поєднання цих контрольованих теплиць, роботизованих систем аналізу та ризотронів робить центр ідеальним середовищем для Випробуйте нові сорти та технології, перш ніж розширювати їх використанняКрім того, ці об'єкти не призначені виключно для внутрішніх команд: вони також відкриті для проектів інших державних та приватних організацій, зацікавлених у вирішенні сільськогосподарських викликів майбутнього.
Усі ці дослідження білків резистентності, азотфіксуючих симбіозів та злаків, здатних використовувати атмосферний азот, вказують на сільськогосподарську модель, де рослини Вони тісніше співпрацюють з мікроорганізмами та зі своєю власною біологією. виробляти більше з меншими зовнішніми ресурсами. Хоча для реалізації багатьох із цих цілей знадобляться роки або десятиліття у великих масштабах, кожен прогрес наближає нас до можливості появи сільськогосподарських культур, які, образно кажучи, «дихають» азотом з повітря та підтримують глобальні запаси продовольства на планеті, що перебуває під кліматичним тиском.
