Секреты зернобобовых, обогащающих почву , могут изменить будущее устойчивого сельского хозяйства

Корневые клубеньки бобовых, таких как соя, помогают фиксировать азот в почве. Лидиана Миотто/Shutterstock

От чечевицы до нута и даже скромной запеченной фасоли — бобовые, пожалуй, наиболее известны как альтернативный растительный источник белка. Эти растения являются героями окружающей среды: они работают вместе с почвенными микробами, чтобы «фиксировать» азот из воздуха, обогащая почву питательными веществами, что позволяет им процветать.

Поскольку их способность связывать азот становится все более понятной, ученые надеются найти способы повысить продуктивность и в конечном итоге применить некоторые из этих эффективных свойств по обогащению почвы к другим культурам, таким как зерновые. Благодаря способности фиксировать азот сельскохозяйственным культурам потребуется меньше азотных удобрений, а здоровье почвы одновременно улучшится.

Зернобобовые, съедобные сухие семена бобовых растений, являются основным продуктом питания в рационе людей и домашнего скота во всем мире. В Европе и США их обычно едят в виде консервированной фасоли, нута и чечевицы, а в странах Африки к югу от Сахары вигна является одной из наиболее важных бобовых культур.

Бобовые с высоким содержанием белка, углеводов, пищевых волокон, витаминов и минералов играют фундаментальную роль в питательном и здоровом питании . Их семена, и листья также используются в качестве корма для скота . Для мелких фермеров в развивающихся странах питательные бобовые являются экономически эффективной заменой животного белка и составляют значительную часть обычного рациона.

В Западной Кении, Руанде и Бурунди люди съедают в среднем более 30 кг бобовых в год , в то время как многие африканские страны рекомендуют бобовые в качестве альтернативы мясу в диетических рекомендациях . Зернобобовые также можно хранить в течение длительного времени , не влияя на их пищевую ценность.

Волшебство внутри корневых узелков

Около 100 миллионов лет назад бобовые развили естественную способность размещать полезные бактерии внутри специальных структур, называемых корневыми клубеньками. Здесь бактерии преобразуют газообразный азот из воздуха и почвы в форму, доступную растению в качестве питательных веществ.

Так, бобовым культурам требуется меньше азотных удобрений, чем зерновым и другим овощным культурам. Высокопроизводительные бобовые могут фиксировать до 300 кг азота на гектар , что в противном случае стоило бы фермерам около 1 доллара за кг удобрений для удовлетворения потребностей растения в питательных веществах.

В проекте «Возможность симбиоза питательных веществ в сельском хозяйстве » мы пытаемся понять, как именно бобовые делают это. Мы изучаем, как эти азотфиксирующие корневые клубеньки появились и почему только у бобовых. Обладая этими знаниями, мы надеемся найти способы повысить эффективность фиксации азота внутри корневых клубеньков и максимизировать рост и урожайность бобовых культур.

Полезные бактерии

Моя исследовательская группа изучает, как бобовые могут взаимодействовать с полезными бактериями и избегать болезнетворных микробов. В то время как бактерии, такие как ризобии в этих корневых клубеньках, помогают растениям получать питательные вещества, другие почвенные микробы, включая бактерии и грибы, могут вызывать заболевания и препятствовать превращению растениями такого большого количества азота. Таким образом, у растения должен быть защитный механизм, который сдерживает болезнетворные микробы. Это также может помешать ему полностью взаимодействовать с полезными бактериями.

Наша группа исследователей выявила потенциальные факторы, которые ограничивают фиксацию азота в клубеньках Medicago , также известных как бочковый клевер. Этот боб часто используется для исследований, а не выращивается для потребления. Изучая ограничивающие факторы, мы надеемся повысить эффективность фиксации азота, не затрагивая встроенные защитные механизмы сельскохозяйственных культур, защищающие их от болезней.

Изучив этот механизм на исследуемых бобовых, исследователи теперь изучают несколько  бобовых культур, таких как соя и вигна, чтобы понять, насколько широко распространены и применимы лежащие в их основе биологические механизмы и можно ли их использовать для улучшения других зернобобовых в будущем.

Несмотря на то, что многие бобовые являются одними из старейших одомашненных культур, они гораздо менее приспособлены к сельскому хозяйству и поэтому имеют значительный потенциал для дальнейшего улучшения посредством селекции и генной инженерии, что делает их более подходящими и устойчивыми для современных продовольственных систем.

Преимущества более эффективной фиксации азота в бобовых включают больший рост и биомассу и, как мы надеемся, более высокое содержание белка в семенах. Это повысит пищевую ценность урожая, а это означает, что на гектар можно будет производить больше высококачественных, богатых питательными веществами продуктов питания.

Более высокая урожайность создаст новые возможности для мелких фермеров и фермеров, ведущих натуральное хозяйство, для выращивания и получения выгоды от бобовых культур, таких как соя, в качестве товарных культур для улучшения условий жизни в сельской местности. Более продуктивные бобовые могут быть более эффективными в качестве севооборотной культуры , улучшающей здоровье почвы, что особенно важно для фермеров, работающих с деградированной почвой, например, в странах Африки к югу от Сахары.

Чем больше мы знаем об этой уникальной способности бобовых, тем больше у нас шансов на успешное создание других культур с аналогичной способностью. Такое развитие событий, хотя и через несколько лет, может трансформировать устойчивое сельское хозяйство, особенно в тех регионах, где доступ к синтетическим удобрениям уже ограничен из-за их стоимости и доступности.

Распространение фиксации азота на другие сельскохозяйственные культуры уже давно является целью ученых- растениеводов во всем мире, и по мере развития биологии растений пульс прогресса ускоряется.