В 1980-х Говард-Яна Шапиро, теперь главный сельскохозяйственный директор Mars, Incorporated, искала новые сорта кукурузы. Он был в округе Миксес штата Оахака на юге Мексики, где впервые появились предшественники кукурузы (кукурузы), когда он обнаружил некоторые из самых странных зерен, которые когда-либо видели. Мало того, что он был ростом от 16 до 20 футов, затмевал 12-футовый материал на американских полях, для его созревания требовалось от шести до восьми месяцев, что намного дольше, чем для обычной кукурузы, которая требовалась 3 месяца. И все же она достигла тех впечатляющих высот в том, что мягко говоря можно назвать бедной почвой, без использования удобрений. Но самой странной частью кукурузы были ее воздушные корни - зеленые и розовые, похожие на пальцы выступы, торчащие из стебель кукурузы, капает с прозрачным, сиропообразным гелем.
Шапиро подозревал, что эти слизистые пальцы могут быть священным Граалем земледелия. Он полагал, что корни позволили этой уникальной разновидности кукурузы, получившей название Сьерра-Микс и местно разводимой в течение сотен или даже тысяч лет, производить собственный азот, необходимый питательный элемент для сельскохозяйственных культур, который обычно применяется в качестве удобрения в эпических количествах.
Идея казалась многообещающей, но без инструментов ДНК, чтобы изучить особенности того, как кукуруза производила азот, открытие было отложено. Спустя почти два десятилетия, в 2005 году, Алан Б. Беннетт из Калифорнийского университета в Дэвисе, вместе с Шапиро и другими исследователями, начал использовать передовые технологии для изучения азотфиксирующих свойств флегмы кукурузы, обнаружив, что действительно, бактерии, живущие в слизи, вытягивали азот из воздуха, превращая его в форму, которую могла поглотить кукуруза.
Теперь, после более чем десяти лет полевых исследований и генетического анализа, команда опубликовала свои работы в журнале PLOS Biology. Если бы азотфиксирующий признак можно было бы развести в обычную кукурузу, что позволило бы ему производить даже часть собственного азота, это могло бы снизить затраты на сельское хозяйство, сократить выбросы парниковых газов и остановить один из основных загрязнителей в озерах, реках и океан. Другими словами, это может привести ко второй азотной революции.
Синтетическое производство азота может быть величайшим достижением 20-го века. Открытие процесса Хабера-Боша и его усовершенствований, в которых азот удаляется из воздуха при высоких температурах и давлении в присутствии катализатора, привело к трем отдельным Нобелевским премиям. И они вполне заслужены. По оценкам, урожайность выросла более чем вдвое в период с 1908 по 2008 год, а синтетические азотные удобрения обеспечили до половины этого роста. Некоторые исследователи связывают массовый рост населения за последние семьдесят лет с увеличением использования азотных удобрений. Без этого нам пришлось бы обрабатывать почти в четыре раза больше земли или иметь на миллиарды людей меньше в мире.
Но производство всего этого азота имеет последствия. Подсчитано, что для производства удобрений с помощью процесса Хабера-Боша используется от 1 до 2 процентов мировой энергии, выделяя много парниковых газов. А синтетический азот регулярно смывает поля в водные пути, что приводит к массивным цветениям водорослей, которые поглощают весь кислород, убивая рыбу и другие организмы. В реки и ручьи поступает так много азота, что в устьях рек мира образовались большие мертвые зоны, в том числе в Мексиканском заливе, размер которого в прошлом году был размером с Нью-Джерси. Марк Саттон из Центра экологии и гидрологии Великобритании называет азот «крестным отцом загрязнения» - его последствия повсюду, но вы никогда не увидите виновника.
Исследователи даже пересадили кукурузу в Мэдисон, штат Висконсин, и обнаружили, что она все еще способна вырабатывать собственный азот из окружающей среды. (Фото: Жан-Мишель Анэ) Но мы не можем просто отказаться от азота, не увидев значительного сокращения в сельском хозяйстве. В то время как лучшие методы управления и ведения сельского хозяйства могут помочь предотвратить попадание воды в водный путь, этих стратегий недостаточно для решения экологических проблем, связанных с азотом. Вот почему исследователи десятилетиями задавались вопросом, существует ли способ помочь зерновым культурам, таким как кукуруза и пшеница, производить собственный азот.
Идея не так надуманна, как кажется. Многие растения, в частности бобовые, такие как соя, арахис и клевер, имеют симбиотические отношения с бактериями ризобия, которые производят для них азот. У растений вырастают корневые клубеньки, где бактерии поселяются и потягивают растительный сахар, превращая азот в воздухе в форму, которую растения могут использовать. Если бы можно было найти аналогичные симбиотические отношения, которые работают на зерновых культурах, таких как кукуруза и пшеница, исследователи полагают, что мы могли бы сократить использование загрязняющих веществ.
Вот почему слизистая кукуруза так важна, и поэтому Беннетт и его команда провели восемь лет, изучая и повторно изучая бактерии и гель, чтобы убедить себя, что кукуруза действительно способна производить свой собственный азот. Используя секвенирование ДНК, они смогли показать микробы в слизистых генах для фиксации азота и продемонстрировали гель, выделяемый кукурузой, который содержит большое количество сахара и кислорода, идеально разработанный для стимулирования фиксации азота. Используя пять различных тестов, они показали, что азот, вырабатываемый микробами, затем попадает в кукурузу, обеспечивая от 30 до 80 процентов потребностей растения. Затем они произвели синтетическую версию слизи и заселили ее микробами, обнаружив, что они также производят азот в этой среде. Они даже вырастили Sierra Mixe в Дэвисе, штат Калифорния, и в Мэдисоне, штат Висконсин, показав, что он может выполнить свой особый трюк за пределами своей территории в Мексике.
«Этот механизм полностью отличается от того, что используют бобовые», - говорит Беннетт, добавляя, что он может существовать и в других культурах. «Разумеется, возможно, что подобные типы систем существуют во многих злаках. Сорго, например, имеет воздушные корни и слизь. Возможно, у других есть более тонкие механизмы, которые происходят под землей, которые могли бы существовать более широко. Теперь, когда мы знаем, мы можем их искать ».
Соавтор Жан Мишель-Ан из Висконсинского университета в Мэдисоне согласен с тем, что это открытие открывает все виды новых возможностей. «Создание кукурузы для фиксации азота и образования корневых клубеньков, таких как бобовые, было мечтой и борьбой ученых на протяжении десятилетий. Оказывается, что эта кукуруза разработала совершенно другой способ решения этой проблемы с азотфиксацией. Научное сообщество, вероятно, недооценило фиксацию азота в других культурах из-за своей одержимости корневыми клубеньками », - говорится в заявлении. «Эта кукуруза показала нам, что природа может найти решение некоторых проблем, выходящих за рамки того, что ученые могли себе представить».
Оказывается, у природы в рукаве есть еще больше азотных трюков, с которыми исследователи справляются. Есть несколько других текущих проектов, направленных на получение зерновых и овощных культур, чтобы сделать Хабер-Бошинг для нас. Одним из наиболее перспективных является использование эндофитов или микроорганизмов, таких как бактерии и грибы, которые живут в межклеточных пространствах растений. Исследователь из Вашингтонского университета Шарон Доти заинтересовалась этими организмами пару десятилетий назад. Она изучала ивы и тополя, которые являются одними из первых деревьев, растущих на нарушенной земле после таких событий, как извержение вулкана, наводнения или камнепады. Эти деревья росли из речного гравия, почти не имея доступа азота в почве. Однако внутри их стеблей Доти обнаружил эндофиты, которые фиксировали азот для деревьев, корневые узелки не нужны. С тех пор она выявила десятки различных штаммов эндофитов, многие из которых помогают растениям удивительным образом. Некоторые производят азот или фосфор, другое важное питательное вещество, в то время как другие улучшают рост корней, а некоторые позволяют растениям выживать в условиях засухи или с высоким содержанием соли.
«Существует целый ряд различных микробов, которые могут связывать азот, и широкий спектр видов растений, на которые они влияют», - говорит она. Ее тесты показали, что микробы могут удвоить урожайность растений перца и томата, улучшить рост риса и придать засуху таким деревьям, как пихта Дугласа. Некоторые даже позволяют деревьям и растениям поглощать и разрушать промышленные загрязнители и в настоящее время используются для очистки участков Суперфонда. «Преимущество использования эндофитов в том, что это действительно большая группа. Мы нашли сорта, которые работают с рисом, кукурузой, помидорами, перцем и другими сельскохозяйственными культурами ».
Фактически, эндофиты могут попасть в руки фермеров раньше, чем позже. IntrinsyxBio из Лос-Альтоса, Калифорния, занимается коммерциализацией некоторых эндофитов Доти. Главный научный сотрудник Джон Л. Фриман в своем интервью говорит, что компания находится на пути к тому, чтобы продукт был готов к продаже в 2019 году. Цель состоит в том, чтобы доставить в растения несколько штаммов эндофитов, скорее всего, путем нанесения покрытия на семена. После того, как эти бактерии поселяются в растении, они должны откачать около 25 процентов необходимого азота.
Другая биотехнологическая компания под названием Pivot Bio недавно объявила, что проводит бета-тестирование аналогичного решения с использованием азотфиксирующих микробов, которые растут в корневых системах кукурузы.
Недавно появившаяся область синтетической биологии также решает проблему азота. Бостонская Joyn Bio, созданная в сентябре прошлого года, является совместным проектом Bayer и Ginkgo Bioworks, биотехнологической компании, имеющей опыт создания нестандартных дрожжей и бактерий для пищевой и ароматической промышленности, а также среди других проектов «Дизайнерский микроб». В настоящее время Джойн просматривает в библиотеке Байера более 100 000 микробов, чтобы найти хозяина, который может успешно заселять растения, подобно эндофитам Доти. Затем они надеются настроить это «шасси» с генами, которые позволят ему фиксировать азот. «Вместо того, чтобы полагаться на природу и находить волшебный микроб, которого мы не считаем существующим, мы хотим найти наш принимающий микроб и настроить его так, чтобы он делал то, что нам нужно для кукурузы или пшеницы», - говорит генеральный директор Joyn Майкл Мийе.,
Фонд Гейтса также участвует в игре, поддерживая проекты, направленные на привлечение азотфиксирующих свойств бобовых в злаки. Тем не менее, другие команды надеются, что появление квантовых вычислений с наддувом откроет новые области химии и определит новые катализаторы, которые сделают процесс Хабера-Боша намного более эффективным.
Хотя маловероятно, что одно только решение сможет заменить 100 процентов синтетических удобрений, которые используют люди, возможно, вместе эти проекты могут серьезно повлиять на загрязнение азотом. Беннетт надеется, что Sierra Mixe и то, что его команда узнала из этого, станет частью азотной революции, хотя он признает, что это очень долгий скачок, прежде чем его слизистые кукурузные пальцы начнут производить азот в обычных культурах. Теперь он хочет идентифицировать гены, которые производят воздушные корни, и определить, какие из тысяч микробов, обнаруженных в слизи, фактически фиксируют азот.
«Я думаю, что то, что мы делаем, может быть дополнением к этим подходам [эндойфтов и синтетической биологии]», - говорит он. «Я думаю, что мы увидим много разных стратегий, и через 5-10 лет появится нечто, что повлияет на то, как кукуруза получает азот».
Примечание редактора 15.08.1818: более ранняя версия этой статьи неправильно написала имя Джона Л. Фримена и определила его текущую компанию.
