«Мы уже демонстрируем снижение нитрификации до 50% в полевых и тепличных испытаниях, что просто потрясающе. В США ежегодно выращивается 97,3 миллиона акров кукурузы. Если бы нам удалось внедрить эту особенность и снизить нитрификацию на 50% на всей этой площади, это имело бы огромное значение», — сказала ведущий автор исследования Анджела Кент, профессор кафедры природных ресурсов и наук об окружающей среде, входящей в состав Колледжа сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук Иллинойского университета.
Многие группы почвенных микроорганизмов используют азот в качестве источника энергии, но две из этих групп чрезмерно представлены в современных сельскохозяйственных почвах, и обе способствуют снижению плодородия.
Нитрифицирующие бактерии превращают аммоний из органических веществ или удобрений в нитрат — форму азота, которая легко проникает в почву и загрязняет водоемы. Денитрифицирующие бактерии преобразуют нитрат в газообразную форму.
Зачастую денитрифицирующие бактерии производят безвредный газообразный азот, но когда в почве много кислорода или мало углерода — что нередко встречается в традиционном сельском хозяйстве — денитрифицирующие бактерии производят закись азота, мощный парниковый газ.
Исследователи утверждают, что «зеленая революция» и эксклюзивный отбор кукурузы по надземным признакам — без учета признаков, связанных с корнями и ризосферой, богатой микробами зоной, окружающей корни, — изменили взаимоотношения культуры с почвой и создали идеальные условия для нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий.
«Во время «зеленой революции» мы начали вносить такое количество азотных удобрений, что кукурузе практически не нужно было конкурировать с микробами за источники азота в почве. На наших полях вносится более чем достаточно азота, чтобы обеспечить комфортные условия для нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий, а также для кукурузы.Но если мы хотим повысить устойчивость системы и снизить количество азотных удобрений, вносимых в поле, то свойства, подавляющие нитрификацию и денитрификацию, становятся действительно важными», — сказал Алонсо Фавела, первый автор исследования и доцент Университета Аризоны.
В исследовании 2021 года Фавела и Кент обнаружили, что эти признаки уже присутствуют у теосинте, дикого и сорного предка кукурузы. Когда теосинте активирует определенные гены, его корни выделяют химические вещества, которые подавляют активность нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий в ризосфере. Это удерживает азот в почве в форме аммония, который с большей вероятностью останется в поле.
Центр сотрудничества в области генетики кукурузы, являющийся частью финансируемой налогоплательщиками Национальной системы растительного генофонда Министерства сельского хозяйства США и расположенный в Иллинойском университете, хранит коллекцию почти изогенных линий (NIL) хорошо изученной современной инбредной линии кукурузы, известной как B73.
Кент и Фавела изучили NIL-линии B73, содержащие крошечные фрагменты — или интрогрессии — генома теосинте, чтобы выяснить, могут ли они идентифицировать гены теосинте, которые подавляют нитрифицирующие и денитрифицирующие бактерии.
В ходе масштабного полевого эксперимента Фавела выращивал сорт B73, теосинте и 42 изогенных линии, каждая из которых содержала различный фрагмент генома теосинте. В течение вегетационного периода он дважды брал образцы ризосферной почвы и анализировал состав микробного сообщества.
В ходе этой работы были выявлены две линии NIL, связанные с ингибированием нитрификации, показавшие 50%-ное снижение потенциальных скоростей нитрификации по сравнению с B73. Две другие линии NIL подавляли денитрификацию с аналогичной скоростью, а десятки других оказывали по меньшей мере некоторое ингибирующее воздействие на денитрификацию.
Поскольку каждая изменчивая линия (NIL) содержала лишь небольшой фрагмент генома теосинте, исследователи смогли сузить круг генов-кандидатов, ответственных за ингибирование, что является ключевым шагом для будущих селекционных программ.
В ходе контролируемых лабораторных экспериментов команда также подтвердила, что эти генные регионы изменяют химический состав корней, влияя на нитрифицирующие бактерии.
«Сейчас наблюдается тенденция рассматривать признаки микробиома как своего рода расширенный фенотип генома растения. Что действительно интересно, так это то, что мы выбираем растения, но с признаком, который проявляется в микробиоме», — сказала Кент.
Наконец, признавая, что признаки подавления микробной активности могут представлять коммерческую угрозу, если они влияют на урожайность, исследователи скрестили линию B73 и две изогенные линии, подавляющие нитрификацию, с гибридной кукурузой.
«Интрогрессия гена теосинте не привела к снижению урожайности. Признак ингибирования нитрификации, по-видимому, является доминантным, поэтому этот признак и урожайность сохранились независимо от родительского гибрида», — сказал Фавела.
Хотя эти признаки пока еще не готовы к рыночному применению, исследователи с оптимизмом смотрят на потенциал древних генов в изменении будущего сельского хозяйства.
«Сельское хозяйство по-прежнему оказывает наибольшее влияние на глобальный круговорот азота. Примерно 40% внесенного азота теряется с полей, даже несмотря на то, что многие регионы сталкиваются с дефицитом азота и нехваткой продовольствия. Это означает потерю энергии, затраченной на производство удобрений, а также негативное воздействие на окружающую среду из-за загрязнения питательными веществами», — сказала Кент.
«Использование таких свойств, способствующих сохранению азота, как ингибирование бактериальной нитрификации и денитрификации, представляет собой как экологический, так и гуманитарный прогресс. Сочетание с генотипами кукурузы, содержащими азотфиксирующие бактерии, может создать мощную синергию для устойчивого производства. Эта работа подчеркивает роль микробной экологии как передового направления в агрономических инновациях и сохранении ресурсов», заключила исследователь.
Источник: University of Illinois.
