Уроки от бобовых и генная инженерия

Голод при полном холодильнике

Всё живое на Земле, от травинки до слона, нуждается в азоте. Это главный кирпичик для строительства ДНК и белков. Вокруг нас азота полно: воздух, которым мы дышим, почти на 80% состоит из него. Но есть проблема: растения не умеют его усваивать. В природе существует только один биологический инструмент, способный «разбить» молекулу азота: это фермент нитрогеназа. И вырабатывают его бактерии-диазотрофы.

Бобовые растения строят на корнях специальные бескислородные капсулы — клубеньки, и приглашают бактерий туда жить. Бактерии перерабатывают азот, а растения обеспечивают им питание. Как это работает, мы описали подробнее в статье про симбиоз бобовых с бактериями.

Зерновые культуры так делать не умеют. Поэтому для остальных растений люди стали делать искусственные удобрения. Это дорогое удовольствие. На их производство тратится 1–2% всей мировой энергии, к тому же растениями усваивается меньше 50% того азота, который вносят фермеры, а остальное просто смывается дождями в реки. Из-за этого в водоёмах интенсивно размножаются водоросли и образуются бескислородные мёртвые зоны.


Почему же мы всё ещё используем химические азотные удобрения, если они могут быть опасны для природы? Дело в том, что азотные удобрения помогли агрономам совершить «зелёную революцию». За последние сто лет именно азот помог нам выращивать в разы больше еды, чтобы прокормить постоянно растущее население планеты. Без них человечеству грозил бы массовый голод. Химические заводы могут производить удобрения в количествах, которых хватает на миллионы гектаров полей по всему миру.

Задача современной науки — создавать разные способы получения азота для растений, чтобы фермеры могли сочетать удобрения и более экологичные альтернативы.

Завод азота внутри клетки 

Учёные десятилетиями пытались адаптировать природный механизм симбиоза, используя методы классической селекции.

Симбиоз — это тесное и длительное сожительство организмов разных видов, при котором они часто помогают друг другу.

Первым направлением была попытка заставить бактерии рода Azotobacter жить на корнях пшеницы так же эффективно, как прикорневые бактерии (ризобии) живут в бобовых. В 1970-х Йоханна Дербентер обнаружила их в Бразилии на корнях сахарного тростника. А позже она с коллегами выделила азотфиксирующие бактерии из кукурузы, сорго и риса. Они жили не в корнях, а во внутренних стенках растений. Исследователи пытались перенести этот опыт на культуры умеренного пояса. Бактерии приживались, но не обеспечивали растение азотом полностью, так как просто жили рядом.

С развитием генной инженерии учёные решили: давайте перенесём генетический проект азотфиксирующего аппарата из бактерий прямо в клетки растений! Просто вставить гены в ядро клетки растения мало. Нужно найти место, где нитрогеназе будет комфортно работать. Биологи выбрали митохондрии, энергетические станции клетки. Во-первых, там много энергии (АТФ), которая нужна для работы. Во-вторых, митохондрии при производстве энергии активно поглощают кислород. Так они создают зону без кислорода, безопасную для нитрогеназы, которая в присутствии кислорода моментально разрушается.

Чтобы не переносить десятки мелких генов по отдельности, учёные склеивают их в один большой комплекс и внедряют в ДНК. Это позволяет эукариотической клетке (содержащей ядро с ДНК, как у животных и растений) правильно собирать сложный механизм по разработанному в лаборатории проекту.

Бактерия Azotobacter научила учёных хитрости. У неё есть защитный «белок Шехны II», который работает как аварийный предохранитель. Если кислорода становится слишком много, он упаковывает нитрогеназу в защитный чехол, а когда опасность проходит — отпускает её обратно в работу.

А не опасно ли внедрять такой механизм в растения? Учёные разрабатывают системы регуляции, которые позволяют растению включать «азотный завод» только тогда, когда это необходимо. Например, только ночью в митохондриях. 

Учим злаки дружить

Считалось, что злаки дружить с бактериями не умеют. Они воспринимают микробы в первую очередь как угрозу и атакуют. Но наука выяснила следующее.

Оказалось, что у кукурузы и пшеницы уже есть нужные гены для союза с бактериями! Они используют их для общения с полезными грибами, чтобы получать фосфор, но без клубеньков. Учёные попытались поменять гены злаков так, чтобы они тоже умели отращивать азотфиксирующие клубеньки.

В 2025 году исследователи нашли «волшебную кнопку»: замена всего двух аминокислот в составе рецептора корня заставляет растение перестать атаковать бактерии и начать строить для них клубеньки. А ещё учёные изучили и научились контролировать специальный белок, который работает как ключ в дверном замке. Когда полезная бактерия подходит к корню, белок открывает ей путь внутрь. Удивительно, что этот механизм удалось запустить даже у помидоров, которые никогда раньше не участвовали в симбиозе с такими бактериями. 

Оказалось, что путь к созданию азотфиксирующих зерновых культур может быть значительно короче, чем предполагалось. Ведь основная инфраструктура уже встроена в набор генов злаков.

Щедрые соседи

Некоторые компании создают бактериальные удобрения. Они не меняют растение, а редактируют бактерии, которые и так живут на его корнях (например, Klebsiella).

В природе такие бактерии выключают свою нитрогеназу, если получают сигнал, что в почве много азотистых удобрений. Учёные с помощью «генетических ножниц» (технология CRISPR) вырезали этот тормоз. Модифицированные бактерии вырабатывают азот постоянно и отдают излишки растению.

Бактериальные удобрения уже работают на кукурузных полях в США, заменяя до 25% химических удобрений без потери урожая. В условиях июньских дождей, когда традиционные удобрения вымываются, микробы продолжают фиксировать азот и делиться продуктами своей «фабрики». 

Сенсация 2024 года: нитропласты в водорослях

Морские биологи пришли на помощь сельскому хозяйству. Исследователи из Калифорнийского университета обнаружили одноклеточную морскую водоросль, внутри которой бактерия за миллионы лет эволюции полностью превратилась в органеллу клетки, способную усваивать азот — нитропласт. Он больше не может жить сам по себе: он делится строго вместе с клеткой и получает от неё белки. 


Это живое доказательство того, что растение может иметь свой встроенный азотный орган. Теперь вместо манипуляций с отдельными генами биологи на примере водоросли смогут внедрять в клетки растений целые азотфиксирующие бактерии.

Почему это важно для нашего будущего?

Если мы научим основные культуры (рис, пшеницу, кукурузу) кормить себя азотом, то решим сразу несколько мировых проблем. Мы перестанем отравлять реки нитратами и греть планету парниковыми газами. Закись азота N₂O в 300 раз опаснее для климата, чем углекислый газ.

А еда станет дешевле, потому что фермеры смогут тратить меньше удобрений. Наука подошла к этому моменту ближе, чем когда-либо за последние 50 лет. И, возможно, мы станем свидетелями второй «зелёной революции».