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

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-азотфіксаторів – 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.

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.

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 Mixе, 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.

Найбільше, мабуть, задоволено керів­ництво Мексики, оскільки згідно з Нагойським протоколом, держава буде отримувати роялті з продажів Sierra Mixе, 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. Адже найвищою метою є зниження екологічної напруги, спричиненої сільським господарством.

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 ProteobacteriaBacteroidetes та Actinobacteria 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 Burkholderia. 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, фукозу та 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 Asteraceae 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 досягли 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 Mixе давала в середньому 4,5 т / га, тоді як звичайна кукуруд­за – менше 2 т / га.


…Винайдення азотвідновлювальної 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