Растения – одни из самых бесстрашных исследователей на Земле, пишет профессор растениеводства Джайлс Олдройд (Университет Кембриджа). Примерно 460 миллионов лет назад первые растения начали покидать пресные водоемы и появляться на суше. В то время вся поверхность Земли представляла собой главным образом пустое пространство. Источник: The Conversation.
Этим пионерам пришлось преодолеть чрезвычайные трудности при переходе от водного образа жизни. Культуры, которые мы выращиваем сегодня, чтобы прокормить себя, изо всех сил пытаются адаптироваться к новым экстремальным условиям нашего климата. Но есть способ защитить их: пробудив древнюю устойчивость растений.
Всем растениям для жизни требуется 17 питательных веществ. Азот, фосфат и калий являются наиболее важными. Ограниченный доступ к любому из этих веществ замедляет рост растения.
Таким образом, на протяжении тысячелетий люди одомашнивали сельскохозяйственные культуры, чтобы максимизировать их продуктивность и обеспечить растениям достаточный запас необходимых питательных веществ. Наши предки собирали и разбрасывали «ночную почву» (человеческие фекалии) на полях, чтобы удобрить их, а также сражались за земли, покрытые богатым питательными веществами птичьего помета. Совсем недавно люди создали глобальную торговлю синтетическими азотными удобрениями.
Возникновение человеческой цивилизации тесно переплетено с использованием питательных веществ для растений в сельском хозяйстве. Эти антропогенные методы, возможно, увеличили производство продуктов питания, но они также сделали растения ленивыми.
Древние взаимовыгодные связи растений
Миллионы лет назад растениям приходилось применять гениальные эволюционные решения, чтобы выжить на суше. Одним из способов их эволюции было установление симбиотических отношений с почвенными грибками – арбускулярной микоризой (на изображении выше), действовавшей подобно примитивным корням и помогая ранним растениям получать питательные вещества из земли. Взамен эти грибки получили энергию от растений, добывших ее фотосинтезом.
Наши методы ведения сельского хозяйства подавили эти симбиотические отношения. Вместо этого мы полагаемся на химические удобрения для выращивания продуктов питания. Однако, считает профессор Олдройд, прежние симбиотические отношения растений с грибками вовсе не являются древней историей. Они по-прежнему важны для понимания того, как мы должны или могли бы производить пищу сегодня.
Примерно 350–400 миллионов лет назад у растений появились собственные корни, однако они продолжали использовать взаимоотношения с грибками, оказывающими помощь в поглощении питательных веществ из земли и почвы.
Затем, около 100 миллионов лет назад, некоторые растения – те, которые мы сейчас знаем, как семейство бобовых (фасоль, горох и чечевица) – установили связь с бактериями в почве. Последние, называемые ризобиями, заражают корни бобовых и с помощью фермента расщепляют азот из воздуха в вещество, доступное растению (изображение ниже).
Дикие растения до сих пор используют эти первобытные ассоциации для получения важнейших питательных веществ. Команды, необходимые растениям для включения симбиотических отношений, по большей части ими остановлены или недостаточно часто используются в мировых системах производства продуктов питания.
Многообещающие исследования
Ученые работают над тем, чтобы понять, как растения взаимодействуют с почвенными микроорганизмами, чтобы найти возможность реактивировать этот симбиоз. Производство продовольствия в результате должно увеличиться, чтобы прокормить растущее население мира.
В нынешнем виде продовольствие выращивается неустойчиво: около половины населения мира зависит от удобрений при производстве продуктов питания. На одну только цепочку поставок синтетического азота пришлось около 10% выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве за 2018 год. При этом азотные удобрения зачастую бывают недоступны для мелких фермеров в Африке, работающих на одних из самых истощенных земель в мире.
Недавние исследования генов растений показали нам нечто, имеющее глубокие последствия. Наши зерновые культуры прошли тот же древний генетический путь, что и бобовые, что в принципе позволяет им взаимодействовать с азотфиксирующими бактериями.
Когда 100 миллионов лет назад у бобовых появилась способность вступать в связь с азотфиксирующими бактериями, они использовали многие процессы, уже присутствующие в их биологии, разработанные для взаимодействия с арбускулярными микоризными грибами. Зерновые упустили этот эволюционный трюк: они эволюционно отошли от бобовых.
Хорошей новостью является то, что, по результатам исследований, 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 стало возможно стимулировать зерновые культуры к более активному взаимодействию с полезными грибами в условиях, имитирующих сильно удобренное поле. Это позволяет запустить процессы, наблюдаемые у бобовых, чтобы размещать азотфиксирующие бактерии. Исследователи могут переобучить растения заниматься поиском полезных микроорганизмов.
Эти открытия имеют жизненно важное значение для разработки злаков, способных связывать азот без использования удобрений и получать доступ к другим необходимым питательным веществам посредством взаимодействия с грибками. Теперь мы точно знаем, что все растения обладают фундаментальным механизмом, используемым только бобовыми.
Можно заставить культурные посевы более активно и продуктивно задействовать в своем развитии полезные грибки и бактерии. И для этого незачем начинать с нуля, создавая новые типы зерновых.
Однако это будет непросто. Существует несколько сложных процессов, связанных с передачей способности фиксировать азот зерновым культурам, в т. ч. развитие у растений функции распознавания полезных бактерий.
В будущем, возможно, станет возможным выращивать сельскохозяйственные культуры без огромного количества химических удобрений. Это позволило бы не только изменить судьбу мелких фермеров в странах с низкими доходами, не имеющих доступа к удобрениям, но и сократить загрязнение окружающей среды в сельском хозяйстве, а также снизить выбросы парниковых газов.
Хотя подземные взаимоотношения растений с микроорганизмами по большей части остаются незамеченными, именно они могут стать ключом к крупным прорывам в сельском хозяйстве будущего.