Микроорганизмы, способные самостоятельно производить азот для растений, могут стать альтернативой традиционным удобрениям, производство которых зависит от ископаемого топлива. Однако, несмотря на десятилетия исследований, разработчикам пока не удалось добиться стабильной эффективности таких решений в сельском хозяйстве. Международная группа ученых предложила четыре приоритетных направления, которые должны приблизить создание биологических азотных удобрений к коммерческому применению. Работа опубликована в журнале Nature Biotechnology.

Комментарием под названием «Следующий рубеж в фиксации азота» руководила американская биотехнологическая компания Switch Bioworks. В подготовке материала участвовали ее специалисты, а также исследователи Оксфордского университета, Университета Висконсин-Мэдисон, Федерального университета Параны в Бразилии и Центра Джона Иннеса.

Почему бактерии пока не стали полноценной альтернативой удобрениям

Азотные удобрения имеют ключевое значение для современного сельского хозяйства. Зерновые культуры, включая кукурузу, пшеницу и рис, обеспечивают около половины калорий, потребляемых человечеством, и для поддержания высокой урожайности зависят от поступления азота. При этом производство традиционных удобрений в значительной степени основано на использовании ископаемого топлива, а их применение сопровождается выбросами парниковых газов и загрязнением водоемов.

Некоторые бактерии способны фиксировать атмосферный азот, преобразуя его в соединения, которые могут использовать растения. Однако у природных микроорганизмов есть особенность: большую часть произведенного азота они удерживают для собственного роста.

Генетическая инженерия позволяет изменить их поведение и заставить выделять аммиак, доступный растениям. Но здесь возникает другая проблема: производство азота может ослаблять способность бактерий размножаться, закрепляться на корнях и конкурировать с другими микроорганизмами.

Дополнительные сложности связаны с тем, что бактерии не всегда одинаково успешно колонизируют корни в разных типах почвы. Кроме того, им может не хватать энергии, поступающей от корневых выделений растений. Все это мешает обеспечить стабильную работу биологических удобрений в реальных полевых условиях.

Четыре приоритета для развития технологии

Авторы исследования выделили четыре направления, которые должны помочь преодолеть существующие ограничения.

Первое - создание разнообразных микробных сообществ, способных закрепляться на корнях и эффективно работать в различных почвенных условиях. Использование нескольких видов микроорганизмов может повысить устойчивость технологии к различиям между полями.

Второе - разработка генетических систем, которые позволят разделить процессы роста бактерий и производства азота. Предлагаемый подход предполагает, что микроорганизмы сначала должны размножиться и закрепиться на корнях, а затем активировать выработку азота. Это позволит избежать ситуации, когда производство азота мешает бактериям успешно развиваться.

Третье направление — изменение характеристик самих растений, чтобы они лучше поддерживали азотфиксирующие микроорганизмы и обеспечивали их необходимыми ресурсами.

Четвертое — разработка строгих стандартов проверки эффективности. Ученые подчеркивают, что увеличение роста растений само по себе еще не доказывает, что бактерии действительно передали им зафиксированный азот. Для подтверждения результата необходимы специальные исследования, а затем полевые испытания с контролем колонизации корней и содержания азота в растениях.

От лабораторных разработок к полям

Разделение роста микроорганизмов и производства азота уже лежит в основе технологии Switch Bioworks. Компания использует генетические переключатели, позволяющие бактериям сначала закрепиться и размножиться на корнях, а затем перейти к производству азота. Параллельно она разрабатывает методы машинного обучения для создания разнообразных сообществ микроорганизмов, которые должны сохранять эффективность при разных полевых условиях.

Компания также объявила о стратегическом сотрудничестве с Bayer Crop Science. Оно связано с развитием подходов к созданию биологических азотных удобрений.

По оценкам авторов комментария, даже частичная замена традиционных удобрений может дать существенный экологический эффект. Если биологические решения смогут заменить 10–20% обычных азотных удобрений, это позволит ежегодно сокращать выбросы на десятки миллионов тонн в пересчете на CO₂-эквивалент. Кроме того, уменьшатся потери азота с сельскохозяйственных полей, а фермеры смогут снизить расходы.

При этом путь к коммерческому применению таких разработок потребует дальнейшей генетической инженерии, масштабных полевых испытаний и прохождения регуляторных процедур. Switch Bioworks сообщает, что уже получила первые в своем классе разрешения Министерства сельского хозяйства США и Агентства по охране окружающей среды США, а также одобрение Национальной технической комиссии Бразилии по биобезопасности.