СуперСадовод
  • Растения, которые удобряют сами себя

    20.07.2014

    Растения, которые удобряют сами себяС самого начала истории сельского хозяйства люди проявляли большую изобретательность, чтобы качественнее обогащать азотом почву для посевов.

    Фермеры сажали бобовые и перепахивали весь посев, устилали поля навозом, заказывали с островов Тихого океана помет летучих мышей или же селитру из чилийских шахт, завершилось все добавлением в почву блестящих гранул синтетический удобрений с химических заводов.

    Неудивительно, что биолог Химадри Пакраси со своей командой начал проект, призванный создать миниатюрный химический аппарат для фиксации азота, который возможно будет автоматизировать и поместить прямо в растения.

    Так азот будет доступен именно там, где необходим, и когда это нужно.

    Это действительно произвело бы революцию в сельском хозяйстве, — говорит Пакраси, заслуженный профессор в области искусств и наук и директор Международного Центра перспективных возобновляемых источников энергии и устойчивого развития (I-CARES) при Вашингтонском Университете.

    Хотя в атмосфере достаточно много азота, форма атмосферного азота непригодна для использования на растениях. Атмосферный азот должен быть «фиксирован» или превращен в соединения, которые делают его более доступным для растений.

    Большая часть современного сельского хозяйства опирается на биологически доступные азотистые соединения, сделанные промышленным способом, разработанным немецким химиком Фриц Габер в 1909 году.

    Важность процесса Габера-Боша едва ли можно переоценить, сегодня он производит удобрения, которые позволяют прокормить население примерно на треть большее, чем планета может прокормить без синтетических удобрений.

    С другой стороны, процесс Габера-Боша весьма энергоемкий, а химически активный азот выбрасывается в атмосферу и воду в стоках сельскохозяйственных полей, что вызывает множество проблем, в том числе респираторные заболевания, рак и сердечные заболевания.

    Пакраси считает, что возможно спроектировать более безопасные азотфиксирующие системы. Его идея — поместить аппарат для фиксации азота в клетках растений, тех же самых, которые содержат устройство для захвата энергии солнечного света.

    Национальный научный фонд недавно выделил Пакраси и его команде более $ 3 870 000 на дальнейшее исследование этой идеи. Работы по гранту будут проводиться в общеуниверситетском центре, поддерживающим совместные исследования в области энергетики, охраны окружающей среды и устойчивого развития на региональном, национальном и международном уровнях.

    Это одна из четыре финансируемых Национальным научным фондом наград, обладатели других грантов будут сотрудничать друг с другом, проводя совещания для обмена информацией.

    Доказательство принципа
    В качестве доказательства принципа Пакраси и его коллеги планируют разработать синтетические биологические инструменты, необходимые для системы фиксации азота в одном из видов цианобактерий (тип зеленых бактерий, ранее считавшихся водорослями) и внедрения его во вторые цианобактерии, которые не фиксируют азот.

    В конечном счете мы хотим, что этот аппарат для фиксации азота развивался в самом растении.

    Для фиксации азота нужна энергия, потому он будет расположен в хлоропластах, в них производится много энергоемких АТФ молекул. По сути наша цель в преобразовании всех сельскохозяйственных культур, а не только бобовых, в азотфиксаторов, — рассказал Пакраси.

    Энергия фотосинтеза цианобактерий хранится временно в молекулах АТФ и в конечном счете в молекулах с углеродной основой, но только некоторые из них фиксируют азот.

    Исследования эволюционной истории 49 штаммов цианобактерий показали, что их общий предок был способен фиксировать азот, но эта способность была повторно потеряна в течение эволюции.

    Большим препятствием для реорганизации фиксации азота является несовместимость процессов фотосинтеза и фиксации азота. Фотосинтез производит кислород в качестве побочного продукта, а кислород является токсичным для нитрогеназа, фермента, необходимого для фиксации азота.

    Именно поэтому большинство организмов, которые фиксируют азот, работают в анаэробной (бескислородной) среде.

    Цианобактерии, способные и на фотосинтез, и фиксацию азота, разделяют эти два процесса в пространстве или во времени. Например, Cyanothece 51142, эти лабораторные цианобактерии Пакраси изучает уже более 10 лет, обладают довольно стабильным расписанием.

    У Cyanothece 51142 есть биологические часы, которые позволяют им проводить фотосинтез в течение дня и фиксировать азот в ночное время.

    В течение дня клетки фотосинтезируют так быстро, как могут, сохраняя в углеродных молекулах энергию. Затем в течение ночи они сжигают молекулы углерода так быстро, как могут. При этом используется весь кислород в клетке, создавая анаэробные условия, необходимые для фиксации азота.

    Таким образом, среда внутри клетки колеблется за день между аэробными условиями, необходимыми для захвата энергии солнечного света, и анаэробными условиями, необходимыми для фиксации азота.

    Ученые решили очень тщательно подойти к проверке основополагающего принципа проекта, чтобы оценить его жизнеспособность.

    Cyanothece 51142 — весьма привлекательный материал для проекта, так как он обладает самым большим количеством генов, связанных с фиксацией азота, чем любая цианобактерия.

    Частью одного и того же функционального блока в Cyanothece 51142 является примерно 30 генов.

    Ученые надеются, что эту группу генов можно переместить в другой штамм цианобактерий одной операцией мега-передачи.

    В качестве хозяина (принимающей стороны) они выбрали Synechocystis 6803, наиболее изученный штамм цианобактерий. Не только потому, что ее геном был секвенирован, еще она «трансформируема» и обладает возможностью интеграции чужеродной ДНК в геном путем замены его аналогичными нитями ДНК.

    Ученые должны выяснить, как подключить пересаженный азотфиксирующий кластер генов к часам Synechocystis.

    Как и любая цианобактерия, Synechocystis имеет свой суточный ритм. Но, как подключиться к этому ритму, мы пока не знаем. У нас есть некоторые идеи, которые мы собираемся тестировать, так что круг проблем очерчен, — заключает Пакраси.

    Исследование поможет решить проблему стабильного производства продуктов питания для всего мира, ведь популяция в более чем 7000000000 вряд ли может надеяться на проекты по сокращению масштабов загрязнения и выбросов парниковых газов. Вполне вероятно, цивилизации потребуются смелые идеи, как эта.



  • Нравится
    Оставьте Ваш комментарий

    Пожалуйста напишите комментарий



    Яндекс.Метрика