Кукуруза — одна из важнейших зерновых культур в глобальной цепочке поставок продуктов питания и кормов: США производят примерно 30% мирового объема, или почти 278 миллионов метрических тонн только в сезоне 2024–2025 годов. Ее путь от дикороса до основной сельскохозяйственной культуры начался в центральной Мексике с теосинте (от слова на языке науатль «teocintli», что означает «священная кукуруза»). За тысячи лет одомашнивание и селекция превратили теосинте в ту кукурузу, которую мы сегодня едим.
Теперь американские исследователи возвращаются к этому дикорастущему родственнику кукурузы, чтобы изучить признаки, которые могли быть случайно утеряны, признаки, влияющие на взаимодействие корней с почвенными микробами и круговорот азота.
В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances , ученые сравнили современную кукурузу с линиями кукурузы, в которые были интегрированы определенные унаследованные признаки от теосинте. Они обнаружили, что эти признаки создают различные микробные среды в ризосфере — узкой зоне почвы вокруг корней — что незаметно влияет на круговорот азота в полевых условиях.
«Ключевой момент здесь в том, что мы можем использовать генетическое разнообразие наших сельскохозяйственных культур, чтобы сделать нашу современную сельскохозяйственную систему более устойчивой», — сказал Алонсо Фавела, ведущий автор исследования и специалист по микробной экологии растений из Школы растениеводства Университета Аризоны.
Это все более популярный подход к пониманию устойчивого развития в сельском хозяйстве, ориентированный на восстановление связи современных культур с признаками, обусловленными их эволюционной историей. Исследователи уже изучают диких родственников культурных растений на предмет таких характеристик, как устойчивость к жаре и вредителям. Исследовательская группа Фавелы сосредоточилась на изучении подземных наследственных признаков, которые могут повысить эффективность использования азота.
«Если нам удастся восстановить эти признаки, современная кукуруза станет более устойчивой, что потенциально позволит снизить затраты на ее производство за счет уменьшения внесения азота и сохранения большего количества азота в поле, а не в окружающей среде», — сказал он.
Азот необходим для роста сельскохозяйственных культур, однако растения усваивают лишь около половины азотных удобрений, вносимых в поля. Остальная часть часто преобразуется почвенными микроорганизмами в формы, которые попадают в окружающую среду, будь то в виде газов, выделяемых в атмосферу, таких как закись азота, или в растворимых формах, которые могут просачиваться в близлежащие ручьи или грунтовые воды.
Эти микробные процессы происходят в ризосфере, где корни растений и микроорганизмы тесно взаимодействуют. Понимание того, как растения влияют на этот микробный оркестр или, в некотором смысле, руководят им, стало важным направлением как в почвоведении, так и в сельскохозяйственных исследованиях.
«Микроорганизмы, которые я изучаю, называются нитрифицирующими. Это действительно очень необычные микроорганизмы, и они метаболизируют азот, подобно тому как мы метаболизируем сахара. Они любят сельскохозяйственные поля, потому что это огромная территория, которая активно обогащается азотом», — сказала Фавела.
В природе растения эволюционировали таким образом, чтобы конкурировать с этими «метаболизирующими азот» микробами за доступный азот, тогда как коммерциализированная кукуруза была выведена в условиях избытка азота и в значительной степени утратила это конкурентное преимущество.
«Современная кукуруза плохо справляется с регулированием содержания азота, потому что его и так очень много, но теосинте отлично конкурирует с этими микробами. Вводя некоторые из его характеристик, мы меняем взаимоотношения с этими нитрифицирующими микробами, так что вместо того, чтобы большая часть внесенного азота шла на эти микробы, которые не способствуют урожайности, он поступает в растение и остается в поле», — говорит Фавела.
Чтобы понять, как унаследованные корневые характеристики теосинте влияют на почвенные микробные сообщества, исследовательская группа провела полевые эксперименты в Научно-образовательном центре растениеводства Университета Иллинойса в Урбане. Там выращивали модельную кукурузу (известную среди фермеров как B73), теосинте, почти изогенные линии кукурузы и теосинте, а также их гибрид на обычных сельскохозяйственных участках при одинаковых условиях обработки почвы и плодородия.
В течение всего вегетационного периода исследователи отбирали образцы ризосферной почвы и анализировали активность и состав микроорганизмов, участвующих в круговороте азота. Сочетание этих данных с результатами генетического анализа позволило им картировать область в геноме теосинте, которая способствовала изменению взаимодействий в почве.
Команда исследователей выявила ключевые интрогрессионные регионы, обогащенные генами, связанными со вторичным метаболизмом, что позволяет предположить, что изменения в химическом составе растений сыграли роль в изменении функционирования микробиома ризосферы. Последующие исследования в Аризонском университете подтвердили этот механизм: химические сигналы, выделяемые корнями и известные как экссудаты, определяли эти изменения микробиома.
Исследователи обнаружили, что когда кукуруза обладает этими свойствами, обусловленными наличием теосинте, ее корни выделяют в почву другую смесь метаболитов, или химических соединений.
В дальнейшем Фавела и исследовательская группа изучают возможности масштабирования этих результатов для коммерческого сельского хозяйства. Один из подходов может заключаться в внедрении специфических генов, полученных из теосинте, в элитные сорта кукурузы. Другими словами, в придание современной кукурузе «эффекта памяти» о ее диком происхождении.
«Часть результатов исследования предполагает, что признаки растений, влияющие на микробиом, могут быть вновь введены в современные гибриды кукурузы без снижения урожайности. Это может даже улучшить рост растений и использование азота в условиях снижения количества удобрений», — сказал Фавела.
Еще одним направлением может стать разработка почвенных добавок, непосредственно связанных с природными соединениями, обнаруженными в корневых выделениях, что могло бы обеспечить целенаправленный органический метод ограничения потерь азота.
Обратная селекция для кукурузы может показаться шагом назад, но для Фавелы это, по сути, вопрос биоразнообразия. «Многое могло быть утрачено, даже без осознания этого. В конечном счете, эта работа направлена на увеличение разнообразия, с которым можно работать. Эти дикие виды обладают характеристиками, которые все еще можно использовать для улучшения нашей современной сельскохозяйственной системы», — сказал он.
Источник: University of Arizona. Автор: Розмари Брандт.
