Революционная кукуруза

Свободна от удобрений. Встречайте! В дальнейшем кукуруза не востребует удобрений. И это будущее уже пришло. Изобретение, изготовленное Аланом Беннетом и его командой, навечно изменит мир. Звоним в Калифорнию В Соединенных Штатах раз в год высаживают более 36 млн. га кукурузы – это практически в 10 раз больше, чем в Украине. У нас эта культура занимает около 15% пахотных земель, тогда как в США она совместно с соей являются основными культурами. Понятно, что кукуруза нуждается в большенном количестве удобрений. Данные разнятся, но в Соединенных Штатах каждый год под кукурузу используют 5,6 млн. т удобрений, в большей степени азотных. У нас эта цифра, соответственно, в 10 раз меньше, но также впечатляющая.

Азот является нужным веществом для жизни растений, а от мысли, что 78% этого хим элемента содержится в воздухе, но пользоваться им, как это делают бобовые культуры, кукуруза не может – становится обидно. И оказывается, что такая возможность у нее уже появилась! На вопросы журнальчика «Зерно» ответил изобретатель Алан Беннет. – Меня всегда поражало, что бобовые культуры, такие как соевые бобы, к примеру, либо фасоль, горох, вигна, люпин белоснежный, трилистник, люцерна и др., имеют естественный механизм воспроизводства азота, – ведает Алан Беннет, доктор Калифорнийского института в Дэйвисе – он является создателем уникальной кукурузы, о которой речь пойдет далее.

– Клубеньковые бактерии – довольно бессчетная группа почвенных микроорганизмов-азот-фиксаторов – приспособились к совместной жизни с бобовыми растениями и научились воспользоваться услугами друг дружку. Бобовые делают условия, нужные для фиксации азота из воздуха микробами, а эти «мини-фабрики» по производству аммонийных соединений азота отдают излишек связанного азота растениям, обеспечивая таким макаром, на сто процентов либо отчасти, их потребность. Кукуруза же не имеет такового симбиоза с почвенными микробами, и крестьяне обязаны полагаться только на внесение удобрений.

Доктор Беннет является главой команды разнопрофильных профессионалов, которые в протяжении последних 15 лет работали над азотвосстанавливающей кукурузой. Выводы их успешной длительной работы были размещены 7 августа в спец журнальчике PLOS Biology. Эта публикация может стать мейнстримом в селекции кукурузы, так как ученые получили сорт, который конвертирует азот из атмосферы в приемлемую себе форму. Азотвосстанавливающая кукуруза не нуждается в синтетических удобрениях, либо её потребность в их значительно понижается. Если последующие исследования приобретут массовый нрав (а похоже, что так и произойдет, так как многие институты со всего мира обратились к государю Алану для получения технологических инструкций), то этот признак может быть введен в обычные сорта кукурузы, в пару раз снизив их потребность в удобрениях и открывая возможность растить кукурузу в бедных регионах, где доступ к удобрениям ограничен. – Я не могу именовать это открытием, – гласит Алан. – Над этим исследованием наш институт работает уже в протяжении 40 лет. И для меня честь, что конкретно у моей команды вышло вывести подходящий признак. Это не везение, ни при каких обстоятельствах! Это большой труд, который в какой-то момент был должен увенчаться фуррором.

Неминуемое открытие Кукуруза была одичавшей еще 10 тыщ годов назад. Ее одомашнивание происходило в Мексике. Такое большущее нынешнее обилие разъясняется тем, что из природной среды (вся одичавшая кукуруза росла на юге страны) местные обитатели брали эталоны одичавшей культуры и развозили в свои поселения по всем уголкам Мексики, где равномерно одомашнивали это растение. Под воздействием разных погодных критерий, почв и способов почвообработки появилось неограниченное количество одомашненных видов, соответствующих для определенной среды. Это генетическое обилие и отдало возможность подбирать нужные для исследования эталоны. – Еще доктор Ховард-Яна Шапиро, мой сотрудник, увидел, что в Мексике есть местности с очень бедными азотом почвами, – ведает о начале опыта доктор Алан. – В давнешние времена кукурузу тут не удобряли никак, но она давала сбор в течение 1000-летий. Мы задумались над тем, как ей это удавалось. Более 10 лет исследователи находили такие первичные сорта кукурузы, которые называли лендрасами. В 80-х годах ХХ века Ховард-Яна Шапиро отыскал кукурузу, которая дает хороший сбор на участках, очень бедных азотом. Исследователь представил тогда, что это связано с присутствием на растении микробов, участвующих в фиксации азота. Только после 2000 года, вследствие возникновения новейших биохимических и генетических технологий, удалось обосновать причастность микробов к восстановлению азота кукурузой. Это исследование проводила специально сделанная группа ученых, специализировавшихся в области общей ботаники, микробиологии, генетики и агрономии. В 2006 году начался проект, результаты которого дали возможность существенно сделать лучше генетический потенциал, и будут способствовать в предстоящем продовольственной безопасности многих государств.

Разъяснение для общественности Кукуруза, которая стала основой для исследования – тропическая, отысканная в регионе Сьерра-Мише. Она смотрится как высочайшее дерево по сопоставлению с классическими разновидностями. Растет до 5 м и имеет поперечник стебля 10 см. Вырастает этот гигант медлительно, около 8 – 9 месяцев, заместо обычных для нас 3-х. Тропическая кукуруза выпускает воздушные корни не только лишь на нижней части стебля, да и по всей его длине. В протяжении долгого времени и в итоге бессчетных тестов удалось получить растение, которое выделяет из этих корешков слизь, способную стать питательной средой для азотфиксирующих микробов. Подробнее о том, как удалось этого достигнуть, речь пойдет ниже. На данный момент отметим, что в процессе работы была получена кукуруза Sierra Міхе, способная всасывать из атмосферы от 28% до 82% азота. На определенном шаге развития растение выделяет на воздушных корешках гелеобразное вещество с высочайшим содержанием сахаров, которое является безупречной средой для микробов, способных всасывать азот из среды и превращать его в доступную для растения форму. – Верно подобранные бактерии дают возможность растению стать независящим от наружного внесения азота, – подводит результат собственной работы соавтор изобретения Жан-Мишель Анэ. – Мы имеем бессчетные доказательства наших исследовательских работ не только лишь в Мексике, где первично проходили тесты, да и в штате Висконсин (США). Исследователи убеждены в коммерческом успехе собственной программки, ведь кукуруза является одним из главных потребителей азотных удобрений, на создание которых расходуется 1 – 2% энергозатрат в общем производстве удобрений. Экологи уже оценили изобретение, предположив, что сокращение объемов удобрений значительно понизит выбросы CO2 в атмосферу.

Более удовлетворено результатом, пожалуй, управление Мексики, так как, согласно Нагойскому протоколу, правительство будет получать роялти по продажам Sierra Міхе как страна, на местности которой было изготовлено открытие.

– Мы достигнули научной цели, которую ставили впереди себя, – резюмирует доктор Алан. – Но будем делать все от нас зависящее, чтоб сделать наше изобретение легкодоступным для общественности, пользующимся популярностью.

Разъяснения для профессионалов Выбор растений Растения есть в тесноватой связи с микробными обществами и оказывают обоюдное воздействие на характеристики друг дружку. Они связаны обменом питательных веществ, мельчайшие организмы в таком симбиозе зависят от общего развития растения и его здоровья, реакций на абиотические стрессы и пр. Более бессчетные популяции микробов живут в почве и образуют связи с корневой системой растений. Самые бессчетные и более различные популяции микробов Ргоteobacteria, Ваcteroidetes и Асtinobactегіа принимают конкретное роль в процессах обмена веществ растения. Корневая микробиота растения намного проще, чем микробиота земли в целом. Это связано с избирательными потребностями растения, которые определяются метаболическими процессами. Исследование показало, что мельчайшие организмы, живущие в ризосфере, различаются зависимо от сорта кукурузы. Таким макаром, был найден сорт дикорастущей кукурузы лендраса, ризосфера которого содержала азотфиксирующий эндофит. Этот изолят был за ранее идентифицирован как новый штамм Вurkholdегіа. Была выдвинута догадка, что этот штамм мог сформировать простой симбиоз, сохранившийся во время одомашнивания кукурузы. Исследователи также узнали, что изолированные хозяйства в районе Сьерра-Мише, штат Оаксака, Мексика, согласно их свидетельствованию, выращивали кукурузу в классической практике с маленьким количеством удобрений либо вообщем без их. В процессе исследования были выявлены нужные уникальные штаммы, которые, предположительно, могли участвовать в восстановлении азота. В том же районе была найдена кукуруза, главным признаком которой было огромное количество воздушных корней, покрывавшихся в определенные периоды густой слизью. По воззрению ученых, эта слизь могла быть ценным источником углерода для неких ризосферных микробов. Роль воздушных корней у кукурузы не изучена, потому группа ученых во главе с доктором Аланом решила использовать ее в качестве возможной платформы для азотвосстанавливающих микробов. Локально культивируемая пятиметровая кукуруза Sierra Mixe была ценным прототипом из-за насыщенного формирования воздушных корней на каждом узле. Это несвойственный для кукурузы признак, так как воздушные корешки практически у всех видов кукурузы отмирают либо прекращают развиваться в тот период, когда растение перебегает от ювенальной ко взрослой фазе роста. Со Sierra Mixe этого не происходит. Напротив, в протяжении всего периода вегетации её воздушные корешки развиваются. Их было в 3 – 4 раза больше, чем у других видов, а в период с июля по сентябрь они к тому же выделяли слизь.

Исследование слизи показало, что она богата арабинозой, фукозой, галактозой (при наличии воды). Эти сахара сформировывают непростой полисахарид, который, возможно, содействует вязкости и может быть разбит на моносахариды для поддержания роста микробов и обмена веществ. Слизь у данного сорта кукурузы выделяется не только лишь воздушными, да и подземными корнями. Подземные корешки также имеют высочайшее содержание фукозы и арабинозы, но уже в половинной концентрации. Фиксация азота содействует питанию кукурузы

В процессе исследования была выделена линия кукурузы, которая давала огромное количество слизи (за этот признак отвечали только 6 генов). Ученые решили узнать, будет ли происходить обновление азота, если заселить нужные штаммы в очищенную слизь. Они провели опыт со слизью и нашли, что даже при двухнедельном замораживании при –80°С, когда слизь становится стерильной, она остается применимой для заселения новыми штаммами Burkholderia. Передача азота от слизи в растения показала потенциал этого дизатрофического общества и его способность участвовать в азотном питании растения. Но для учёных главным остаётся вопрос: будет ли опыт таким же удачным в полевых критериях? Перенос фиксированного азота из атмосферы в растение кукурузы Sierra Mixe в первый раз был оценен в полевых критериях 2006 года с внедрением природных изотопов 15N. Этот способ был должен показать, откуда растение будет восстанавливать азот: из воздуха либо из земли. В итоге растения, которые имели возможность получать азот из атмосферы, показывали увеличенное поглощение соединения, по сопоставлению с растениями, принимающими азот только из земли. В 2006 году с каждого из 2-ух экспериментальных полей были собраны эталоны кукурузы Sierra Mixe и эталонные растения с Asterасеае и Ranunculaceae (видов с пониженной возможностью фиксации азота), растущие на одном участке. Ученые желали провести ассимиляцию и одомашнивание Sierra Mixe и через пару лет достигай цели. В течение 2010, 2011 и 2012 годов удалось понизить высоту кукурузы до 3,5 метров, не утратив параметров растения. В последующие 7 лет, начиная с 2010-го, на истощенных малоазотистых почвах делали замеры урожайности кукурузы Sierra Mixe и других видов, которые не были способны фиксировать азот. Sierra Mixe давала в среднем 4,5 т/га, тогда как рядовая кукуруза – наименее 2 т/га. ...Изобретение азотфиксирующей кукурузы – это, непременно, прорыв в селекции. Но пройдет более 10 лет до того момента, когда мы сможем пользоваться результатом в промышленном масштабе. Введение признака в геноплазму вида – это не такая обычная задачка. Основная неувязка, с которой столкнутся ученые – трудности с сокращением сроков созревания азотфиксирующей кукурузы. Дело в том, что введение подходящего признака в обычные нам сорта будет долгим, так как подбор грядущего сорта, способного сохранять азотфиксирующие признаки без утраты урожайности и выравнивание генетической полосы до гибрида нуждаются в долгих полевых опытах. Остается открытым и вопрос того, каким образом бактерии Burkholderia будут попадать на покрытые слизью воздушные корешки. Может быть, зерна кукурузы следует за ранее обрабатывать необходимым штаммом, а может, придется распылять штамм при помощи авиации. Не считая того, есть опасности заселения слизи патогенными микробами, брутальными для Burkholderia. Но ученые из Калифорнийского института в Дэйвисе не падают духом и настроены на сотрудничество с другими институтами и селекционными станциями. У государя Алана Беннета есть планы на создание азотвосстанавливающего рапса, так как на теоретическом уровне это растение также имеет потенциал к симбиозу с полезными микробами. Лада Антомонова