Азот является одним из ключевых элементов для роста растений и формирования высоких урожаев. Однако клетки растений не способны напрямую усваивать атмосферный азот, что заставляет земледельцев активно использовать синтетические удобрения. Их применение, несмотря на положительный эффект, сопровождается экологическими и экономическими проблемами. Сегодня ученые работают над созданием устойчивых и экологичных решений, способных уменьшить зависимость сельского хозяйства от химических источников азота. Одним из таких решений стала генетическая модификация пшеницы с целью повышения биологической фиксации азота (БФА) почвенными бактериями.
Хлебная пшеница - важнейшая культурная зерновая, обеспечивающая продовольственную безопасность миллионов людей. Основным ограничивающим фактором в ее выращивании является именно доступность азота. На сегодняшний день высокий спрос на азотные удобрения приводит к значительному загрязнению окружающей среды: избыточный азот вымывается в грунтовые воды, вызывая эутрофикацию водоемов, а также способствует выбросам парниковых газов, включая оксид азота, наносящих вред озоновому слою и усиливающих глобальное потепление. Поэтому снижение объема химических внесений без потери урожая остается одной из приоритетных целей аграрной науки. Благодаря достижениям в области генного редактирования, особенно технологиям CRISPR/Cas9, ученым удалось изменить флавоновый метаболический путь пшеницы, увеличив синтез апигенина - природного биологически активного флавона, способного стимулировать рост и развитие полезных почвенных бактерий.
Эти бактерии относятся к группе диазотрофов, которые способны преобразовывать атмосферный азот в аммиак, доступный для усвоения растениями. Ранее такие взаимовыгодные отношения были характерны главным образом для бобовых растений, сформировавших специализированные клубеньковые симбиозы с азотфиксирующими микроорганизмами. В отличие от бобовых, у пшеницы и других злаковых культурах отсутствуют специальные структуры для проживания азотфиксирующих бактерий. Тем не менее, генетически модифицированная пшеница с повышенной синтезом апигенина выделяет это вещество с корнями в почву, тем самым стимулируя прикрепление и образование био-пленок у почвенных диазотрофов. Био-пленки создают микрокислородные условия, позволяющие защитить фермент азотазу (нитрогеназу) - ключевой элемент биологической фиксации азота, который очень чувствителен к кислороду.
Таким образом, несмотря на аэробные условия почвы, микробы могут эффективно фиксировать азот благодаря сформированным био-пленкам. Эксперименты в условиях ограниченного внесения азотных удобрений показали, что такие модифицированные линии пшеницы значительно превосходят по урожайности традиционные сорта. Подобное улучшение связано с более высоким содержанием азота в листьях и семенах, улучшенной фотосинтетической активностью и общей устойчивостью растений к дефициту питательных веществ. Рост урожая достигал увеличения более чем на 70% в сравнении с нефункциональными, несодержащими изменений растениями, выращиваемыми в тех же условиях. Подобный подход открывает новые горизонты в агротехнологиях: увеличение биологической фиксации азота может существенно снизить затраты на удобрения, уменьшить негативное воздействие на окружающую среду и обеспечить устойчивое повышение производительности сельхозугодий.
Внедрение строк с увеличенной продукцией апигенина также меняет микробиологическую динамику почвы, стимулируя обогащение полезной микрофлоры и улучшая почвенное здоровье. Еще одной важной особенностью является то, что функция CYP75B3 - гена, кодирующего фермент, участвующий в превращении апигенина - оказывается критически важна для нормального развития пшеницы. Поэтому при разработке модифицированных линий фокус смещается на гены CYP75B4, мутации в которых повышают концентрацию апигенина, не вызывая серьёзных негативных эффектов на рост растения. Это подчеркивает необходимость тонкой настройки генетических изменений для достижения оптимального результата. Исследование подтверждает, что белки из группы CYP75B имеют активность флавоноид 3'-гидроксилаз, регулирующих содержание апигенина и его производных в растениях.
Их мутации приводят к накоплению апигенина и усиливают его выделение в почву через корни. Взаимодействие с бактериями Azospirillum brasilense показывает, что модифицированные растения стимулируют колонизацию корней, провоцируют экспрессию генов бактерий, отвечающих за образование био-пленок, что улучшает условия для азотфиксации. Измерения фиксированного микроорганизмами изотопного азота в корнях пшеницы демонстрируют, что растения с повышенным выделением апигенина способны поглощать значительные количества биологически фиксированного азота даже при уменьшенном внесении удобрений. Это свидетельствует о том, что часть необходимого азота обеспечивает не только почва и внесенные удобрения, но и микробные сообщества, стимулируемые корневыми экссудатами. Экономическая и экологическая эффективность данного подхода очевидна: снижение потребности в азотных удобрениях приводит к меньшим затратам для фермеров, снижает риск загрязнения водоемов и при этом обеспечивает высокий уровень урожая, что особенно важно в условиях роста мирового населения и ограниченности природных ресурсов.
Кроме того, подобная технология редактирования генома может быть адаптирована и к другим зерновым культурам, что откроет широкие перспективы для модернизации агропроизводства. В целом, инновационный метод генного редактирования пшеницы, стимулирующий ассоциированную биологическую фиксацию азота, является ярким примером синергии биотехнологий и устойчивого сельского хозяйства. Использование растений, специально адаптированных для поддержки почвенных микроорганизмов-фиксаторов азота, может стать ключевым инструментом в борьбе с проблемами загрязнения и деградации почв, а также в обеспечении высокого уровня продовольственной безопасности в будущем. Будущие исследования могут направить усилия на дальнейшее совершенствование редактирования генов, улучшение взаимодействия с разнообразными группами полезных бактерий, а также на интеграцию этого подхода в современные агротехнологические системы. Возможно, появятся новые решения для минимизации использования синтетических удобрений и интеграции биологических методов поддержания плодородия почвы, что сделает возделывание пшеницы еще более экологичным и экономичным процессом.
В итоге технологии генного редактирования пшеницы, повышающие выделение активных флавоноидов и стимулирующие азотфиксацию микробными сообществами в почве, продемонстрировали потенциал для значительного повышения урожайности при снижении потребностей в азотных удобрениях. Это открывает путь к более устойчивому и экологичному земледелию, снижая нагрузку на экосистемы и улучшая продовольственную безопасность глобально. .
