Австралийская корпорация GRDC инвестирует 10 млн долларов в 4-летний проект по изучению технологии биологического ингибирования нитрификации (BNI), который реализуется совместно с научным правительственным агентством CSIRO. Исследование направлено на внедрение в зерновые культуры генетической способности подавлять бактерии, вызывающие потерю азота, что должно снизить расходы фермеров на удобрения и уменьшить выбросы парниковых газов.
В данном контексте речь идет о двух ключевых группах почвенных микроорганизмов, запускающих процесс нитрификации: аммиакоокисляющих бактериях (АОБ / AOB) и аммиакоокисляющих археях (АОА / AOA).
Типичными и наиболее изученными представителями этих бактерий являются роды Nitrosomonas (например, Nitrosomonas europaea) и Nitrosospira. Растения лучше и безопаснее всего усваивают азот из удобрений в форме аммония. Однако указанные почвенные микроорганизмы используют этот аммоний как источник энергии для себя.
Например, бактерии Nitrosomonas и их сородичи с помощью особого фермента (аммониймонооксигеназы) окисляют стабильный аммоний сначала в гидроксиламин, а затем в нитриты. Именно на этом этапе в качестве побочного продукта в атмосферу выделяется закись азота — парниковый газ. Другие бактерии быстро переводят нитриты в нитраты. Нитраты крайне подвижны, они не удерживаются почвой и легко вымываются дождями в грунтовые воды, унося с собой до 50% ценного азота из удобрений. Если почва переувлажнена, другие (денитрифицирующие) бактерии окончательно превращают оставшиеся нитраты в газообразный азот, который просто испаряется в воздух.
Суть биологического ингибирования нитрификации (BNI) заключается в том, чтобы заставить корни пшеницы или рапса выделять особые природные вещества-химосигналы (биологические ингибиторы). Эти вещества блокируют ферменты бактерий Nitrosomonas, «усыпляя» их. В результате бактерии перестают перерабатывать аммоний, азот дольше остается в прикорневой зоне в доступной для урожая форме, не вымывается и не превращается в парниковый газ.
Чтобы заставить корни культурных злаков активно выделять природные ингибиторы нитрификации, ученые используют стратегию «генетического пиратства» и молекулярной селекции.
Обычная культурная пшеница в процессе многовекового одомашнивания «обленилась» — она привыкла получать азот в избытке от фермеров и почти утратила способность самостоятельно контролировать почвенные бактерии. Однако эта способность в совершенстве сохранилась у её диких сородичей, которые тысячелетиями выживали на бедных почвах.
Международные консорциумы ученые (включая австралийскую CSIRO, датский Орхусский университет и центр CIMMYT) заставляют корни работать по новой схеме с помощью нескольких последовательных шагов:
1. Пересадка хромосомы от дикой травы. Ученые обнаружили, что за выработку биологических ингибиторов нитрификации отвечает определенный участок ДНК. Настоящим прорывом стал перенос плеча хромосомы 3NsbS от многолетнего дикого злака — колосняка кистистого, также известного как волоснец кистистый (Leymus racemosus) — в геном элитных сортов культурной пшеницы. Корни пшеницы восприняли этот фрагмент как родную инструкцию и начали синтезировать защитные вещества.
2. Активация синтеза бензоксазиноидов (BXs). Получив дикие гены, корни начинают непрерывно вырабатывать и выделять в почву бензоксазиноиды — особые вторичные метаболиты. Раньше было известно, что эти соединения помогают злакам защищаться от насекомых и нематод.Новейшие исследования 2026 года подтвердили: эти же вещества работают как химический щит против бактерий Nitrosomonas. Попадая в ризосферу (прикорневую зону), они точечно отключают ферменты бактерий, не давая им окислять аммоний.
3. Настройка «триггера» на корневых волосках. Растение тратит много энергии на производство этих веществ, поэтому ученые не хотят, чтобы корень выделял их вхолостую. Сейчас исследователи настраивают генетические маркеры так, чтобы корни активировали выброс ингибиторов только в ответ на присутствие аммония в почве (то есть сразу после того, как фермер внес удобрения) или при изменении кислотности (pH) среды.
Эксперименты в лабораториях и теплицах показывают, что такие модифицированные «BNI-линии» пшеницы выделяют активные вещества в разы сильнее обычных сортов. Их корни замедляют превращение азота бактериями почти в 2 раза. По оценкам экономистов проекта, если эти гены удастся закрепить в коммерческих сортах для массового посева, фермеры смогут вносить на 40–60% меньше азотных удобрений, абсолютно не теряя в урожайности и качестве зерна.
Источник: GRDC.