Мутантная кукуруза может стать будущим сельского хозяйства

В Америке кукурузный сироп — король, а настоящий сахар колеблется где-то в статусе принца. Мы зависим от кукурузы, а кукуруза, в свою очередь, зависит от азота. Давным-давно люди поняли, что при севообороте почва останется богатой питательными веществами, что в некоторой степени помогает удерживать азот. Затем мы придумали, как производить азотные удобрения, и благодаря их использованию мы существенно удвоили средний урожай сельскохозяйственных культур за последние сто лет или около того.

Не всем растениям нужен дополнительный азот. Бобовые, такие как фасоль и соевые бобы, можно производить самостоятельно. А вот кукурузе обязательно нужен азот. В 1980-х годах Говард-Яна Шапиро, ныне руководитель отдела сельского хозяйства Mars, Inc., отправился в Мексику, кукурузную столицу мира, в поисках новых сортов кукурузы. Он нашел один на юге Мексики, в районе Микс в Оахаке. Мало того, что эта кукуруза была на несколько футов выше американской кукурузы, она каким-то образом выросла до такой головокружительной высоты на ужасной почве.

Шапиро думал, что успех кукурузы может быть как-то связан с воздушными пальцеобразными корнями, торчащими из стебля кукурузы. Спустя десятилетия оказывается, что он был прав. Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе доказали, что эти воздушные корни позволяют растению захватывать азот из воздуха посредством симбиотических отношений с бактериями в этой прозрачной сиропообразной слизи. Этот процесс называется азотфиксацией.

Итак, если у нас уже есть азотные удобрения, зачем вообще искать растения, которые делают это сами? Процесс производства удобрений Хабера-Боша, который представляет собой искусственную форму фиксации азота, действительно делает бесплодную почву менее важным фактором. Но избыток азота в удобрениях на основе аммиака имеет тенденцию стекать в близлежащие ручьи и озера, что делает его использование опасным для окружающей среды. А процесс производства аммиака для удобрений предполагает использование ископаемого топлива, требует много энергии и вдобавок производит парниковые газы. В общем, это ужасный поступок с окружающей средой ради сельского хозяйства. Но что еще остается делать, когда нужно кормить так много людей?

За последнее десятилетие исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе использовали секвенирование ДНК, чтобы определить, что слизь сорта растения Sierra Mixe обеспечивает кукурузу микробами, которые дают ей как съедобный сахар, так и слой защиты от кислорода. Они считают, что таким образом растения получают 30-80% азота. Исследователи также доказали, что микробы действительно принадлежат к семействам азотфиксаторов и похожи на те, что обнаружены в бобовых. Самое впечатляющее, что им удалось пересадить кукурузу Sierra Mixe как в Дэвис, штат Калифорния, так и в Мэдисон, штат Висконсин, и добиться успешного роста, доказав, что трюк с азотфиксацией кукурузы не ограничивается домашним газоном, где выращивается кукуруза. Сейчас они работают над идентификацией генов, которые производят воздушные корни.

Однако мы, вероятно, не перейдем на кукурузу Sierra Mixe в ближайшее время. Для созревания требуется восемь месяцев, что слишком медленно для американских аппетитов, привыкших к трехмесячному периоду созревания. Если мы сможем придумать, как заставить другие растения самостоятельно фиксировать азот, кто знает, как далеко мы сможем зайти? Кажется вероятным, что больше людей примут сверхспособность, привитую от двоюродного брата кукурузы, вместо того, чтобы пытаться использовать CRISPR для обеспечения самофиксации азота, поскольку исследования показали недоверие к генетически модифицированным продуктам.

Вопрос прав интеллектуальной собственности может стать проблемой, но исследователи начали с мексиканского правительства правильно, заключив юридические соглашения, которые гарантируют, что сообщество Сьерра-Миксе получит выгоду от исследований и возможной коммерциализации. Нам не терпится увидеть, на что они способны. Если они не смогут передать силу самофиксации другим растениям, то, возможно, есть надежда на улучшение процесса Габера-Боша.