Как можно пробудить спящие свойства растений, чтобы открыть возможности для ведения сельского хозяйства без удобрений

Совершенно естественно, что ученые начали со злаков. Но очевидно и то, что дело дойдет и до древесных видов. Это вопрос времени. М.П.

Центр растениеводства, Кембриджский университет , предоставлено автором

Растения – одни из самых бесстрашных исследователей на Земле. Примерно 460 миллионов лет назад первые растения начали покидать озера и реки и появляться на суше. В то время поверхность Земли представляла собой в основном голую скалу.

Этим пионерам пришлось преодолеть чрезвычайные трудности при переходе от водного образа жизни. Культуры, которые мы выращиваем, чтобы прокормить себя, изо всех сил пытаются адаптироваться к новым экстремальным условиям нашего климата. Но есть способ защитить их: пробудить их древнюю устойчивость.

Всем растениям для жизни требуется 17 питательных веществ. Азот, фосфат и калий являются наиболее важными. Ограниченное количество любого из этих веществ замедляет рост растения.

Таким образом, на протяжении тысячелетий люди одомашнивали сельскохозяйственные культуры, чтобы максимизировать продуктивность и обеспечить растениям достаточный запас необходимых им питательных веществ. Наши предки собирали и разбрасывали ночную почву (человеческие фекалии) на полях, чтобы удобрять их, и сражались за земли, покрытые богатым питательными веществами птичьим пометом. Совсем недавно люди создали глобальную торговлю синтетическими азотными удобрениями. Возникновение человеческой цивилизации переплетено с использованием питательных веществ для растений в сельском хозяйстве.

Эти антропогенные методы, возможно, увеличили производство продуктов питания, но они также сделали урожай ленивым.

Древние связи

Когда-то растениям приходилось применять гениальные эволюционные решения, чтобы выжить на суше. Одним из способов их эволюции было установление симбиотических (взаимовыгодных) отношений с почвенными грибами, арбускулярной микоризой, которые действовали как примитивные корни, помогая этим ранним растениям получать питательные вещества из земли. Взамен грибы получили энергию растений, полученную в результате фотосинтеза.

Наши методы ведения сельского хозяйства подавили эти симбиотические отношения.

Вместо этого, при выращивании продуктов питания, мы полагаемся на химические удобрения, которые несут ответственность как за выбросы парниковых газов, так и за сельскохозяйственное загрязнение, и в значительной степени недоступны для мелких фермеров, которые выращивают треть мировых запасов продовольствия.

Однако я считаю, что симбиотические микробные отношения вовсе не являются древней историей. Они по-прежнему важны для того, как мы должны или могли бы производить пищу сегодня.

Примерно 350–400 миллионов лет назад у растений появились собственные корни, но они продолжали использовать эти грибковые взаимоотношения, помогая поглощать питательные вещества из земли и почвы.

Затем, около 100 миллионов лет назад, некоторые растения – те, которые мы сейчас знаем как семейство бобовых, включая фасоль, горох и чечевицу – установили связь с бактериями в почве. Бактерии, называемые ризобиями, заражают корни бобовых и с помощью фермента расщепляют азот из воздуха в вещество, доступное растению.

Крупным планом корень растения со сферическими узелками.Бактерии ризобии на корне гороха. Ворачат Токаев/Shutterstock

Дикие растения до сих пор используют эти первобытные ассоциации для получения важнейших питательных веществ. Признаки, необходимые растениям для включения симбиотических отношений, по большей части дремлют или недостаточно используются в мировых системах производства продуктов питания.

Многообещающие исследования

Ученые работают над тем, чтобы понять, как растения взаимодействуют с почвенными микроорганизмами, чтобы мы могли их реактивировать. Производство продуктов питания должно увеличиться, чтобы прокормить растущее население мира. Однако в нынешнем виде оно неустойчиво: около половины населения мира зависит от удобрений при производстве продуктов питания. Одна только цепочка поставок синтетического азота произвела около 10% выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве в 2018 году и часто недоступна для мелких фермеров в Африке, которые работают на одних из самых истощенных земель в мире.

Недавние исследования генов растений показали нам нечто, имеющее глубокие последствия. Наши зерновые культуры имеют тот же древний генетический путь, что и бобовые, что позволяет им взаимодействовать с азотфиксирующими бактериями.

Когда 100 миллионов лет назад у бобовых появилась способность связываться с азотфиксирующими бактериями, они использовали многие процессы, уже присутствующие в их биологии, для взаимодействия с арбускулярными микоризными грибами. Зерновые упустили этот эволюционный трюк: они уже эволюционно отошли от бобовых.

Хорошей новостью является то, что исследования показывают, что уникальные азотфиксирующие свойства бобовых можно передать другим продовольственным культурам.

За последние несколько лет исследователи значительно расширили наше понимание того, как растения взаимодействуют с полезными микроорганизмами. По крайней мере, в лаборатории мы можем стимулировать зерновые культуры к более активному взаимодействию с полезными грибами в условиях, имитирующих сильно удобренное поле, и начать повторять процессы, которые мы наблюдаем в бобовых, необходимые для размещения азотфиксирующих бактерий. Исследователи переобучают растения искать полезные микроорганизмы.

Эти открытия имеют жизненно важное значение для выведения  злаков, которые могут связывать азот без нашей помощи и получать доступ к другим необходимым питательным веществам посредством взаимодействия с грибами. Теперь мы знаем, что все растения обладают фундаментальным механизмом, который до сих пор использовался только бобовыми для взаимодействия с полезными бактериями.

Мы можем заставить наши посевы более активно и продуктивно задействовать полезные грибы и бактерии. И нам не нужно начинать с нуля создавать зерновые, чтобы стать более независимыми.

Однако это будет непросто. Существует несколько сложных процессов, связанных с передачей способности фиксировать азот зерновым культурам, в том числе развитие функции распознавания полезных бактерий.

В будущем, возможно, станет возможным выращивать сельскохозяйственные культуры без огромного количества химических удобрений. Это могло бы не только изменить судьбу мелких фермеров в странах с низкими доходами, у которых нет доступа к удобрениям, но также сократить загрязнение окружающей среды в сельском хозяйстве и выбросы парниковых газов. Это также уменьшило бы воздействие таких потрясений, как нехватка удобрений и скачки цен, вызванные конфликтом в Украине.

Хотя подземные взаимоотношения растений с микроорганизмами по большей части остаются незамеченными, они могут стать ключом к крупным прорывам в сельском хозяйстве будущего.