Тихим субботним утром в теплице Орхусского университета во Флаккебьерге ряды пшеничных растений в пробирках стоят с корнями, погруженными в чистую воду. Нет почвы и нет автоматизации, которая бы взяла на себя эту работу. Каждый день, включая выходные и праздники, научный сотрудник Пурна Кумар Кхатри приходит проверить их. Он регулирует pH по каплям. Если он этого не сделает, корни пострадают. И эксперимент провалится.
«Это требует больших физических усилий, — говорит он, — но также и умственных. Нужно быть предельно точным. Каждый божий день».
Эта тщательная процедура — часть гораздо более масштабной истории, которая начинается под поверхностью почвы, где растения ведут переговоры с микробами за один из самых ценных ресурсов сельского хозяйства: азот.
Почему надо решить проблему с азотным питанием растений
Современному растениеводство необходимы азотные удобрения. Однако лишь менее половины азота, вносимого в качестве удобрений, фактически используется культурами. Остальная часть теряется в результате вымывания или выбросов в атмосферу в виде закиси азота.
На протяжении десятилетий исследователи и политики пытались решить эту проблему с помощью регулирования и ограничений на использование удобрений. Другой способ ограничить проблему — использование синтетических ингибиторов нитрификации. Эти химические вещества замедляют микробное превращение аммония в нитрат, что может снизить выбросы закиси азота за счет ограничения нитрификации и последующей денитрификации, но они дорогостоящие, требуют повторного внесения и могут оказывать воздействие на нецелевые почвенные организмы.
А что, если бы эту работу могли выполнить сами растения?
В этом и заключается основная идея биологического ингибирования нитрификации (БНИ): процесс, при котором корни растений выделяют природные соединения, подавляющие активность нитрифицирующих микроорганизмов в почве. Результат: больше азота остается в форме, доступной для растений, меньше теряется в окружающую среду, и повышается эффективность удобрений.
«Растения не пассивны, — объясняет Кхатри. — У них есть стратегии. Они защищаются. И они пытаются сохранить питательные вещества в почве. Мы только начинаем понимать, насколько сложны эти стратегии».
Корневые соединения, которые защищают здоровье растений и их азот
В центре исследований Хатри находятся бензоксазиноиды — группа природных соединений, хорошо известных по содержанию в злаковых культурах, таких как пшеница, кукуруза и рожь. На протяжении десятилетий эти химические вещества изучались главным образом из-за их роли в защите растений: отпугивание насекомых, подавление сорняков и ингибирование нематод.
Кхатри и его коллеги показали, что некоторые из этих соединений также действуют как мощные ингибиторы нитрификации.
В исследовании, опубликованном в журнале Plant Physiology and Biochemistry, они протестировали 18 различных бензоксазиноидов с помощью чувствительного биолюминесцентного анализа с использованием Nitrosomonas europaea, модельной нитрифицирующей бактерии. Семь соединений выделились среди прочих, включая BOA, MBOA, DIBOA и DIMBOA, все они способны сильно подавлять нитрификацию при относительно низких концентрациях.
Важно отметить, что эти соединения не являются синтетическими добавками. Они вырабатываются самим растением и выделяются корнями в окружающую почву.
«Это хорошая новость, — говорит Кхатри. — Не потому, что эти соединения были совершенно неизвестны, а потому, что теперь мы лучше их понимаем. Они уже были известны как защитные химические вещества. Теперь мы видим, что они также могут играть ключевую роль в управлении азотным балансом».
В исследовании сравнивались три линии пшеницы: обычная родительская линия и две так называемые линии пшеницы БНИ, несущие фрагмент хромосомы дикого злака (Leymus racemosus, волоснец кистистый), известный своими свойствами, усиливающими признаки БНИ.
При гидропонном выращивании линии пшеницы БНИ выделяли значительно больше активных бензоксазиноидов, чем родительская линия. Их корневые выделения подавляли нитрификацию в два раза сильнее, что напрямую коррелирует с более высокими концентрациями этих соединений.
Это важно, потому что последствия выходят далеко за пределы лаборатории.
«Если в реальных полевых условиях удастся повысить эффективность использования азота хотя бы на 10%, — говорит Кхатри, — то абсолютная экономия на удобрениях и выбросах будет огромной».
Некоторые исследования с использованием моделей показывают, что культуры, выращенные с применением технологии БНИ, могут снизить потери азота на 20–30%. Важно отметить, что первые полевые эксперименты не показывают снижения урожайности: фермеры могут использовать меньше удобрений и собрать такое же количество зерна.
Почему растения могут быть лучше агрохимикатов
Одним из преимуществ ингибирования нитрификации с помощью растений является его своевременность и точность. Синтетические ингибиторы применяются в больших дозах, все сразу. Соединения, производимые растениями, напротив, высвобождаются постепенно и локально, именно там и тогда, когда они необходимы.
«Растение производит очень небольшое количество этих веществ, — объясняет Кхатри. — Но делает это непрерывно. И эти химические вещества всегда были частью природных экосистем. Это не что-то новое, что мы привносим извне».
Это также снижает риск непредвиденных побочных эффектов. В то время как синтетические ингибиторы могут нарушать микробные сообщества почвы, природные соединения, как правило, оказывают более целенаправленное воздействие. В рамках крупного международного проекта CropSustain параллельные исследовательские группы в настоящее время изучают, как характеристики БНИ влияют на почвенные микробиомы и нецелевые организмы с течением времени.
От молекул к селекции
Для Кхатри долгосрочная цель ясна: превратить химические знания в навыки селекции.
Если исследователи смогут определить, какие биосинтетические пути производят наиболее эффективные соединения, ингибирующие нитрификацию, селекционеры смогут отбирать сорта пшеницы, которые в большей степени проявляют эти свойства. В результате получатся культуры, которые по своей природе более экологичны, без изменения методов ведения сельского хозяйства или необходимости применения новых удобрений.
«Здесь химия встречается с генетикой, — говорит он. — Как только мы узнаем эти соединения, селекционеры смогут работать над повышением способности растения их производить».
Тем временем его дни проходят в теплице. Морозильные камеры заполнены бутылками с собранным корневым экссудатом. Образцы ждут анализа. Работа медленная, монотонная и часто незаметная, но очень важная. «Если разорвать этот цикл естественным путем, — говорит Кхатри, — не с помощью химикатов, а с помощью биологии, то от этого выиграют все: растение, фермер и окружающая среда».
Источник: Aarhus University. На заглавном снимке, сделанном во время гидропонного эксперимента на исследовательской станции Орхусского университета в Флаккебьерге, пшеница выращивается в воде, а не в почве. Эксперимент позволяет исследователям изучать, какие природные соединения выделяют растения из своих корней и как эти соединения могут способствовать удержанию азота в почве. Автор фото: Пурна Кумар Кхатри.
