Азот необходим для роста растений и продуктивности сельскохозяйственных культур. В отличие от бобовых культур, которые в процессе эволюции развили способность взаимодействовать с азотфиксирующими бактериями (диазотрофами), находящимися внутри корневых клубеньков растений-хозяев, зерновые культуры зависят исключительно от поглощения из почвы неорганических форм азота, таких как нитраты и аммоний.
Хотя зерновые культуры требуют много азотных удобрений, их эффективность использования азота (Nitrogen Use Efficiency (NUE)) относительно низка, и только 30%–35% азотного удобрения усваивается растением. Это в значительной степени способствует загрязнению нитратами почв и грунтовых вод, что приводит к серьезным проблемам для окружающей среды. Кроме того, вымывание азотных удобрений из почвы в грунтовые воды способствует эвтрофикации водоемов, а неорганические азотные удобрения улетучиваются в закись азота, которая разрушает озоновый слой в стратосфере, способствуя глобальному потеплению.
Внесение азотных удобрений под зерновые культуры способствует увеличению урожая, и для дальнейшего роста производства продовольствия, необходимого для удовлетворения потребностей растущего населения мира, потребуется больше неорганических азотных удобрений. Это дополнительное использование азотных удобрений приведет к удорожанию производства зерна и значительному ухудшению загрязнения окружающей среды. Поэтому растет потребность в разработке устойчивых альтернативных методов ведения сельского хозяйства, направленных на сокращение чрезмерного использования неорганических азотных удобрений.
Проблемы создания биологической азотфиксации в злаках и решение
Преобразование атмосферного азота в аммиак почвенными диазотрофами может восполнить потребность сельскохозяйственных культур в N, способствуя повышению урожайности как бобовых, так и небобовых видов, а также сокращая количество неорганических азотных удобрений, используемых в сельском хозяйстве. Диазотрофы производят нитрогеназу, ферментативный комплекс, который катализирует преобразование атмосферного N 2 в NH 3 , процесс, называемый биологической фиксацией азота.
Было сообщено о нескольких стратегиях, направленных на конструирование BNF в злаках.
Бактериальные гены нитрогеназы были экспрессированы как в дрожжах, так и в растениях. Ген nifH был экспрессирован в хлоропластах табака, в то время как оперон (функциональная единица генетического материала, представляющая собой группу генов, которые транскрибируются в одну мРНК) nif из Klebsiella pneumoniae был введен в митохондрии табака. Кроме того, кофактор нитрогеназы матураза NifB была экспрессирована в митохондриях и хлоропластах табака, а также в митохондриях риса. Хотя экспрессия была достигнута во всех вышеупомянутых случаях, экспрессированные белки были неактивны.
Также сообщалось об исследованиях, направленных на индукцию корневого органогенеза у злаков, таких как клубеньки бобовых. Экспрессия генов клубеньков и индукция клубенькоподобных структур были зарегистрированы в корнях риса, но функциональные азотфиксирующие клубеньки пока не были получены. Сверхэкспрессия факторов транскрипции, которые регулируют развитие корней и контролируют определение стволовых клеток в рисе, привела к образованию корневых клубенькоподобных структур, которые морфологически напоминают клубеньки, но не имеют сложных признаков, необходимых для установления симбиоза с ризобиями. Хотя это предполагает некоторый потенциал для конструирования клубенькоподобных органов у злаков, эти структуры не поддерживают ключевые требования для симбиоза, такие как образование инфекционных нитей и соответствующая васкуляризация. Более того, поддержание микроаэрофильных условий в этих структурах, необходимых для функции нитрогеназы, до сих пор не решено.
Синтетическая биология подход был использован для создания сигнальной цепи растение-бактерия для улучшения активности N-фиксации бактерий, связанных с корнями целевого растения. Ячмень был сконструирован для производства сцилло-инозамина (SI), сигнальной молекулы ризопина, а бактерия Azorhizobium caulinodans была трансформирована для экспрессии системы поглощения SI. Эта система позволила осуществлять строгий ризопин-зависимый контроль факторов, управляющих экспрессией и активностью нитрогеназы из бактерий, колонизирующих корни ячменя. Эта активация была специфична для генетически модифицированного ячменя и подтверждала идею создания симбиоза, контролируемого растением, при котором азотфиксирующие бактерии могли специфически ассоциироваться с определенным видом целевого растения.
Недавно была постулирована стратегия индукции BNF у злаков посредством образования биопленок почвенными диазотрофными бактериями. Пути биосинтеза флавонов у риса были модифицированы с помощью CRISPR/Cas9, что привело к увеличению содержания апигенина в растениях риса, растущих в условиях ограничения N. Увеличение содержания апигенина в модифицированных CRISPR растениях, с сопутствующим увеличением апигенина в корневых экссудатах, способствовало образованию биопленки у почвенных диазотрофов с сопутствующей индукцией BNF, что привело к значительному увеличению урожайности зерна по сравнению с растениями дикого типа, растущими в аналогичных условиях ограничения.
В данной работе ученые из Калифорнийского университета в Дэвисе под руководством Эдуардо Блумвальда, выдающегося профессора кафедры растениеводства, успешно использовала полицистронный мультиплексный CRISPR для модификации пути биосинтеза флавонов у гексаплоидных растений пшеницы, что привело к нокаутированию гена CYP75B и далее к повышению содержания апигенина.
Обогащенные апигенином растения пшеницы выделяли апигенин в ризосферу, что приводило к образованию бактериальных биопленок, способствующих повышению биологической фиксации азота, что позволило значительно повысить урожайность растений, растущих в условиях дефицита азота.
Флавоноиды являются важными вторичными метаболитами, которые влияют на многочисленные физиологические реакции растений и симбиотические отношения с почвенной микробиотой посредством корневой экссудации. Ранее те же ученые показали, что флавон апигенин и его гликозилированные производные, такие как апигенин-7- O- глюкозид, выделяемые корнями риса, индуцируют колонизацию корней и образование биопленок почвенными диазотрофными бактериями. Бактериальные биопленки создают микроаэрофильные условия, которые могут способствовать активности бактериальной нитрогеназы, что приводит к усилению фиксации атмосферного азота почвенными диазотрофными бактериями в ризосфере.
Проще говоря, для модификации пути биосинтеза флавонов у растений гексаплоидной пшеницы (Triticum aestivum ), ученые создали растения с отредактированной ДНК и повышенным содержанием апигенина.
Растения, обогащённые апигенином, выделяют апигенин в почву, что приводит к колонизации корней и последующему образованию биоплёнок диазотрофными бактериями. Низкая проницаемость биоплёнки для кислорода защищала бактериальную нитрогеназу и стимулировала образование азота. Следует пояснить, что биологическая фиксация азота затрудняется присутствием кислорода, который необратимо ингибирует фермент нитрогеназу и подавляет ее синтез.
Таким образом, в условиях дефицита азота линии пшеницы, обогащённые апигенином, демонстрировали повышенное содержание азота, улучшенную фотосинтетическую активность и более высокую урожайность зерна по сравнению с контрольными образцами.
Данная работа демонстрирует возможность создания ассоциативной BNF у злаковых культур посредством метаболического перепрограммирования корневой экссудации, предлагая устойчивый путь к снижению зависимости от синтетических азотных удобрений.
Источник: Plant Biotechnology Journal (2025). DOI: 10.1111/pbi.70289
