Вільна від добрив. Зустрічайте!

Кукурудза не потребуватиме добрив у майбутньому. І це майбутнє вже прийшло. Винахід, зроблений Аланом Беннетом та його командою, назавжди змінить світ

Фото 1. Революційна кукурудза

Телефонуємо до Каліфорнії

У Сполучених Штатах щороку висаджують понад 36 млн га кукурудзи - це майже вдесятеро більше, ніж в Україні. У нас ця культура займає близько 15% орних земель, тоді як у США вона разом із соєю є основними культурами. Відомо, що кукурудза потребує великої кількості добрив. Дані різняться, але у Сполучених Штатах щороку під кукурудзу застосовують 5,6 млн т добрив, переважно азотних. У нас ця цифра, відповідно у 10 разів менша, однак також разюча.

Азот є необхідною речовиною для життя рослини, а від думки, що 78% цієї хімічної сполуки міститься у повітрі, але скористатися нею, як це роблять бобові культури, кукурудза не може - стає сумно. Та виявляється, що така можливість у неї вже з’явилася! На запитання журналу «Зерно» відповів винахідник Алан Беннет.

- Мене завжди дивувало, що бобові культури, такі як соєві боби,наприклад, чи то квасоля, горох, вігна, люпин білий, конюшина, люцерна тощо, мають природний механізм відтворення азоту, - розповідає Алан Беннет, професор Каліфорнійського університету Девіс - він є автором винаходу кукурудзи, про яку піде мова далі. - Бульбочкові бактерії - досить численна група ґрунтових мікроорганізмів-азот-фіксаторів - пристосувалися до спільного життя з бобовими рослинами і навчилися користуватися послугами один одного. Бобові створюють умови, потрібні для фіксації азоту з повітря бактеріями, а ці «міні-фабрики» з виробництва амонійних сполук азоту надлишок зв’язаного азоту віддають рослинам, таким чином повністю або частково забезпечуючи їхню потребу. Кукурудза ж не має такого симбіозу з ґрунтовими бактеріями, і фермери змушені покладатися лише на внесення добрив.

Фото 2. Революційна кукурудза

Професор Беннет є очільником команди різнопрофільних спеціалістів, які впродовж останніх 15 років працювали над азотвідновлювальною кукурудзою. Висновки їхньої вдалої довготривалої роботи були опубліковані 7 серпня у спеціалізованому журналі PLOS Biology. Ця публікація може стати мейнстрімом у селекції кукурудзи, оскільки вчені отримали сорт, який перетворює азот з атмосфери у прийнятну для себе форму, не потребуючи синтетичних добрив чи бодай істотно знизивши потребу в них. Якщо подальші дослідження набудуть масового характеру (а схоже, що так і станеться, оскільки багато університетів з усього світу звернулися до пана Алана для отримання інструкцій щодо технології), то ця ознака може бути введена у звичні сорти кукурудзи, у кількараз знизивши потребу в добривах та даючи змогу вирощувати кукурудзу в бідних регіонах, де доступ до добрив обмежений.

-Я не можу назвати це відкриттям, - каже Алан. - Над цим дослідженням наш університет працює вже впродовж 40 років. Та для мене честь, що саме в моєї команди вийшло вивести потрібну ознаку. Це не везіння в жодному разі - це величезна праця, яка рано чи пізно мала увінчатися успіхом.

Неминуче відкриття

Кукурудза була дикою ще 10 тисяч років тому. Її одомашнення відбувалося в Мексиці. Таке величезне сьогоднішнє різноманіття пояснюється тим, що з природного середовища (найбільше дикої кукурудзи росло на півдні країни) місцеві жителі брали зразки дикої культури та розвозили до своїх поселень (по всій сьогочасній Мексиці) й поступово одомашнювали. Під впливом різних умов, ґрунтів та методів ґрунтообробітку відбулася поява величезної кількості одомашнених сортів, характерних для певного середовища. Це генетичне різноманіття і дало можливість підбирати потрібні для дослідження зразки.

- Ще професор Ховард-Яна Шапіро, мій колега, помітив, що є території Мексики, де ґрунти дуже бідні на азот, - розповідає про початок експерименту професор Алан. - У давні часи кукурудзу тут не удобрювали ніяк, але вона давала врожай протягом тисячоліть. Ми замислилися над тим, як їй це вдавалося.

Понад 10 років дослідники шукали такі первинні сорти кукурудзи, які називали лендрасами. У 80-х роках ХХ ст. Ховард-Яна Шапіро знайшов кукурудзу, яка дає непоганий урожай на ділянках дуже бідних на азот. Дослідник припустив тоді, що це пов’язано з присутністю на рослині бактерій, які беруть участь у фіксації азоту.

Фото 3. Революційна кукурудза

Лише після 2000 року, внаслідок появи новітніх біохімічних та генетичних технологій, вдалося довести причетність бактерій до відновлення азоту кукурудзою. Це дослідження проводила спеціально створена група вчених, що зналися на загальній ботаніці, мікробіології, генетиці та агрономії. 2006 року почався проект, результати якого дали можливість значно покращити генетичний потенціал та в майбутньому сприятимуть продовольчій безпеці багатьох країн.

Пояснення для загалу

Кукурудза, яка стала основою для дослідження, - тропічна, знайдена в регіоні Сьєрра-Міше. Вона виглядає як височенна деревина порівняно з традиційними різновидами. Виростає до 5 м та має діаметр стебла 10 см. Росте цей гігант повільно - 8-9 місяців, замість звичних для нас трьох. Ця кукурудза випускає повітряні корінці не лише на нижній частині стебла, а й по всій довжині.

Упродовж тривалого часу та в результаті численних експериментів вдалося отримати рослину, яка виділяє з цих корінців слиз, котрий може бути поживним середовищем для азотфіксувальних бактерій. Детальніше про те, як вдалося цього досягти, йтиметься нижче.

Зараз зазначимо, що в ході роботи була отримана кукурудза Sierra Міхе, яка здатна отримувати з атмосфери від 28 до 82% азоту. На певному етапі розвитку рослина виділяє на повітряні корінці гелеподібну речовину з високим умістом цукрів, яка є ідеальним середовищем для бактерій, котрі здатні брати азот з середовища та перетворювати його в доступну для рослини форму.

- Правильно підібрані бактерії дають можливість рослині стати незалежною від зовнішнього внесення азоту, - підсумовує свою роботу співавтор винаходу Жан-Мішель Ане. - Ми маємо численні підтвердження наших досліджень не лише у Мексиці, де первинно проходили випробування, але й у штаті Вісконсин (США).

Дослідники впевнені в комерційному успіху своєї програми. Адже кукурудза є одним з основних споживачів азотних добрив, на виробництво яких витрачається 1-2% енергозатрат у загальному виробництві добрив. Екологи вже оцінили винахід, припустивши, що скорочення обсягів добрив істотно знизить викиди CO2 в атмосферу.

Фото 4. Революційна кукурудза

Найбільше, мабуть, задоволено керівництво Мексики, оскільки згідно з Нагойським протоколом, держава буде отримувати роялті з продажів Sierra Міхе, як країна на території якої було зроблене відкриття.

- Ми досягли наукової мети, яку ставили перед собою, - резюмує професор Алан. - Однак будемо робити все від нас залежне, аби зробити наш винахід доступним для загалу, популярним.

Пояснення для спеціалістів

Вибір рослин

Рослини існують у тісному зв’язку з мікробними спільнотами, які впливають на властивості одне одного, пов’язані обміном поживних речовин, залежать від загального розвитку рослини та її здоров’я, реакцій на абіотичні стреси. Найчисленніші популяції мікроорганізмів живуть у ґрунті та вступають у зв’язок із кореневою системою. Найчисленніші та найрізноманітніші популяції бактерій Ргоteobacteria, Ваcteroidetes та Асtinobactегіа беруть безпосередню участь у процесах обміну речовин рослини.

Коренева мікробіота рослини набагато простіша, ніж мікробіота ґрунту загалом.

Це пов’язано з вибірковими потребами рослини, які визначаються метаболічними процесами. Дослідження показало, що мікроорганізми, які живуть у ризосфері, різняться залежно від сорту кукурудзи. Таким чином було знайдено сорт дикорослої кукурудзи лендраса, ризосфера якого містила азотфіксуючий ендофіт. Цей ізолят був попередньо ідентифікований, як новий штам Вurkholdегіа. Була висунута гіпотеза, що цей штам міг сформувати примітивний симбіоз, збережений під час одомашнення кукурудзи.

Дослідники також дізналися про ізольовані господарства в районі Сьєрра-Міше, штат Оаксака, Мексика, які, за повідомленням, вирощували кукурудзу за традиційною практикою з невеликою кількістю добрив або взагалі без них. У ході дослідження були виявлені потрібні унікальні штами, котрі, за припущенням, могли брати участь у відновленні азоту.

У тому самому районі була виявлена кукурудза, основною ознакою якої була велика кількість повітряних коренів, що в певні періоди покривалися густим слизом. На думку вчених, цей слиз міг бути цінним джерелом вуглецю для деяких ризосферних бактерій. Роль повітряних коренів у кукурудзи не досліджена, тому група вчених на чолі з професором Аланом вирішила використати її, як потенційну платформу для азотвідновлювальних мікроорганізмів.

Локально культивована п’ятиметрова кукурудза Sierra Mixe була цінним зразком через інтенсивне формування повітряних коренів на кожному вузлі. Це нехарактерна для кукурудзи ознака, оскільки повітряні корені в більшості сортів кукурудзи відмирають чи припиняють розвиватися в той період, коли рослина переходить від ювенальної до дорослої фази росту. Зі Sierra Mixe це не відбувається, навпаки, впродовж усього періоду вегетації повітряні корені розвиваються. Їх було у 3-4 рази більше, ніж в інших сортів, а в період з липня по вересень вони ще Й виділяли слиз.

Дослідження слизу показало, що він багатий на арабінозу, фукозута галактозу (за наявності вологи). Ці цукри формують складний полісахарид, який, імовірно, сприяє в’язкості й може бути розбитий на моносахариди для підтримки росту мікроорганізмів та обміну речовин. Слиз у цього сорту кукурудзи виділяється не лише повітряними, а й підземними коренями. Підземні корені також мають високий уміст фукози та арабінози, але вже в половинній концентрації.

Фіксація азоту сприяє харчуванню кукурудзи

У ході дослідження була виділена лінія кукурудзи, яка давала велику кількість слизу (за цю ознаку відповідало лише 6 генів). Учені вирішили з’ясувати, чи буде відбуватися поновлення азоту, якщо заселити потрібні штами в очищений слиз.

Вони провели дослід зі слизом і виявили, що навіть при двотижневому заморожуванні при -80°С, коли слиз стає стерильним, він залишається придатним для заселення новими штамами Burkholderia.

Передача азоту від слизу до рослини продемонструвала потенціал цієї дизатрофічної спільноти та її спроможність брати участь в азотному харчуванні рослини. Однак для вчених основним питанням є те, чи буде експеримент таким самим успішним у польових умовах.

Внесок фіксування азоту з атмосфери до кукурудзи Sierra Mixe вперше був оцінений у польових умовах 2006 року з використанням природних ізотопів 15N. Цей метод мав показати, звідки рослина буде відновлювати азот: з повітря чи з ґрунту. Як результат рослини, що мали можливість вбирали азот з атмосфери, демонстрували збільшення поглинання азоту, порівняно з рослинами, які брали сполуку з ґрунту.

2006 року з кожного з двох експериментальних полів було зібрано зразки кукурудзи Sierra Mixe та еталонні рослини з Asterасеае та Ranunculaceae (сортів зі зниженою можливістю фіксації азоту), які ростуть на одній ділянці. Вчені хотіли провести асиміляцію та одомашнення Sierra Mixe й через кілька років досягай мети. Впродовж 2010,2011 та 2012 років вдалося знизити висоту кукурудзи до 3,5 метра, не втративши властивостей рослини. У наступні 7 років, починаючи з 2010-го, на виснажених ґрунтах робили заміри врожайності кукурудзи Sierra Mixe та інших сортів, які не були здатні фіксувати азот. Sierra Mixe давала в середньому 4,5 т/га, тоді як звичайна кукурудза - менше 2 т/га.

...Винайдення азотвідновлю-вальної кукурудзи - це безумовно прорив у селекції, однак мине не менше 10 років до того моменту, коли ми зможемо скористатися цим у промисловому масштабі. Введення ознаки в геноплазму виду - це не таке просте завдання. Основна проблема, з якою стикнуться вчені, - складнощі зі скороченням термінів дозрівання азотфіксувальної кукурудзи. Річ у тім, що ведення потрібної ознаки у звичні нам сорти буде довгим, оскільки підбір сучасного сорту, який зберігатиме азотфіксувальні ознаки без втрати врожайності та вирівнювання генетичної лінії до гібрида, потребує тривалих польових експериментів.

Залишається відкритим і питання того, як бактерії Burkholderia будуть потрапляти на вкриті слизом повітряні корені. Можливо, зерна кукурудзи будуть попередньо оброблятися потрібним штамом, а може, доведеться розпилювати штам з авіації. Крім того, є ризики заселення слизу патогенними мікроорганізмами, агресивними для Burkholderia.

Проте вчені з Каліфорнійського університету Девіс не падають духом та налаштовані на співпрацю з іншими інститутами та селекційними станціями. У пана Алана Беннета є плани на створення азотвідновлюючого ріпаку, оскільки теоретично ця рослина також має потенціал до симбіозу з корисними бактеріями.

Будемо тримати вас у курсі.

 

Лада Антомонова