Азотные удобрения имеют решающее значение для получения высоких урожаев сельхозкультур. Также очень важен этот элемент питания при выращивании кукурузы. Если получится сократить количество азотных удобрений хотя бы на 5%, даже такая небольшая разница окажет огромное влияние на благосостояние аграриев по всему миру.
В этом уверена группа ученых, которые сейчас работают над созданием кукурузы, которая сама добывает азот из воздуха. Исследование возглавляет профессор Жан-Мишель Ане из Висконсинского университета (UW).
Руководитель группы ученых подчеркнул, что «в некоторых регионах мира фермеры не могут позволить себе азотные удобрения. Очень здорово, что наша работа может повысить урожайность для этих фермеров и вывести их семьи из нищеты».
Все началось с обнаружения азотфиксирующих бактерий в местной разновидности кукурузы из Оахаки, Мексика. Сейчас команда работает над внедрением этой особенности в сорта кукурузы, выращиваемые в США, и уже добилась многообещающих результатов в сохранении урожайности при сокращении использования удобрений.
В 2009 ученым удалось подтвердить фиксацию азота у местной разновидности кукурузы. У неё были обширные сети воздушных корней, которые выделяли богатую слизью жидкость, в этой богатой углеводами среде обитало множество видов бактерий, способных фиксировать азот.
Результаты были ошеломляющими. Полевые оценки за пять лет показали, что у этой кукурузы фиксация атмосферного азота обеспечивала до 82% ее потребностей в азоте. Интересно отметить, что урожайность кукурузы уже была в некоторой степени улучшена благодаря селекции, проведенной фермерами, Сьерра-Миксе.
Теперь при финансовой поддержке Министерства сельского хозяйства США ученые изучают, как эти бактерии фиксируют азот. Они скрещивают мексиканские сорта с сортами, адаптированными к Среднему Западу США. Но кукуруза – не единственная культура, обладающая этим признаком.
В Африке был обнаружено сорго, которое делает то же самое. Мы уже опубликовали предварительное исследование этого сорта и обнаружили, что фиксация азота из атмосферы удовлетворяет около 43% его потребностей без каких-либо удобрений. Мы также находимся в процессе публикации статьи, которая показывает, что генетическая особенность кукурузы и сорго схожа. Очень интересно, что количество узлов, на которых растут воздушные корни, по-видимому, контролируется двумя или тремя генами в обоих случаях»,
Для стимуляции выработки слизистого вещества нужны регулярные осадки. Но даже 5-10-минутного ливня достаточно. Гель вырабатывается в течение 30 минут после дождя и сохраняется в течение двух-трёх дней при хорошей влажности. Команда также изучает, в какой степени влажность влияет на количество узлов с воздушными корнями и толщину этих корней, что означает большее количество геля и фиксацию азота.
Также ученые выясняют, какие из эсовременных гибридов лучше всего подходят для интрогрессии – переноса признака воздушного корня без потери преимуществ и достижений современной селекции.
Мы в основном используем инбредные линии и визуально отбираем потомство по количеству и толщине корней. Таким образом, у нас есть несколько участков, на которых мы изучаем, как сочетаются признаки мексиканских местных сортов и современных линий, на некоторых участках мы изучаем только признак образования воздушных корней, а на других участках – несколько других признаков»,
Уоллес отмечает, что на данный момент проект находится на стадии генетики, а не селекции. Как только ученые узнают, как ведут себя гибридные сорта этим летом, они смогут приступить к селекции. А когда узнают больше о генах, смогут определить маркеры и использовать в селекции ИИ, чтобы избежать сцепленного наследования и удалить ненужные гены местных сортов. Среди нежелательных признаков они называют большую высоту растений и созревание в течение восьми месяцев.
Также ученые будут использовать азотфиксирующие почвенные бактерии, чтобы значительно сократить потребность в азотных удобрениях. Исследователи отмечают, что было очень трудно разрушить догму о том, что азотфиксирующие бактерии живут только в корневых клубеньках бобовых растений. В настоящее время в США ряд компаний занимаются производством подобных микробиологических препаратов, в том числе Pivot Bio и IntrinsyxBio.
Растения определяют, что такие микроорганизмы являются частью микробиома растений, и впускают их. Наши данные показывают, что фиксация азота усиливается в микробных сообществах, поэтому к растениям нужно добавлять сообщества. Мы также видим, что эти эндофитные бактерии делают растения более устойчивыми к засухе, и в некоторых случаях их выживание зависит от присутствия этих эндофитов. Микроорганизмы стабильны, долговечны и стоят дешевле азотных удобрений».
Таким образом, инновационная работа под руководством Жан-Мишеля Ане и его коллег дает надежду на повышение устойчивости сельскохозяйственных культур и урожайности, особенно в регионах, где доступ к удобрениям ограничен.