Как бактерии удобряют сою

Растениям для роста необходим азот в форме аммония. Для большинства культурных растений фермеры вынуждены вносить этот аммоний на поля в качестве удобрения. Производство аммония — энергоемкий и дорогой процесс, а современные методы производства также выбрасывают в атмосферу большое количество CO₂.

Однако некоторые культуры сами пополняют свои запасы аммония. Корни бобов, гороха, клевера и других бобовых содержат бактерии (ризобии), способные преобразовывать азот из воздуха в аммоний. Эта симбиотическая взаимосвязь, как считалось, относительно проста: бактерии снабжают растение аммонием, а растение предоставляет им углеродные карбоновые кислоты.

Неожиданно сложное взаимодействие

Под руководством профессора экспериментальной системной биологии Бита Кристена и ученого Института молекулярной системной биологии Маттиаса Кристена исследователям ETH удалось показать, что взаимодействие растения и бактерий на самом деле удивительно сложно. Наряду с углеродом, растение дает бактериям богатую азотом аминокислоту аргинин.

«Хотя фиксация азота ризобиями изучается много лет, в наших знаниях все еще были пробелы, — говорит Бит Кристен. — Наши новые открытия позволят уменьшить зависимость фермеров от аммонийных удобрений, сделав сельское хозяйство более устойчивым».

Используя методы системной биологии, исследователи изучили и расшифровали метаболические пути ризобий, сожительствующих с клевером и соей. Совместно с профессором ETH Уве Зауэром они подтвердили результаты в лабораторных экспериментах по выращиванию растений и бактерий. Ученые полагают, что их выводы применимы не только к клеверу и сое, и что метаболические пути других бобовых регулируются аналогичным образом.

Битва за выживание, а не добровольный симбиоз

Открытия проливают новый свет на сосуществование растений и ризобий. «Этот симбиоз часто ошибочно представляют как добровольный обмен. На самом деле, оба партнера делают все возможное, чтобы эксплуатировать друг друга», — говорит Маттиас Кристен.

Как смогли продемонстрировать ученые, соя и клевер не расстилают перед ризобиями красную дорожку, а скорее рассматривают их как патогены. Растения пытаются перекрыть бактериям доступ к кислороду и создают для них кислую среду. В то же время бактерии непрерывно борются за выживание в этой враждебной среде. Они используют аргинин, присутствующий в растениях, потому что он позволяет им переключиться на метаболизм, не требующий много кислорода.

Чтобы нейтрализовать кислую среду, микробы переносят подкисляющие протоны на молекулы азота, взятые из воздуха. Это производит аммоний, от которого они избавляются, выводя его из бактериальной клетки и передавая растению. «Таким образом, аммоний, столь важный для растения, является всего лишь побочным продуктом борьбы бактерий за выживание», — говорит Бит Кристен.

Преобразование молекулярного азота в аммоний — энергоемкий процесс как для промышленности, так и для ризобий. Новый механизм объясняет, почему бактерии тратят на этот процесс так много энергии: он обеспечивает их выживание.

Биотехнология: путь к устойчивому сельскому хозяйству

Сельское хозяйство и биотехнологии смогут использовать это новое понимание, чтобы перенести процесс бактериальной фиксации азота на небобовые культуры, такие как пшеница, кукуруза или рис. Ученые много раз пытались добиться этого, но успехи были ограничены, потому что не хватало важного элемента метаболической головоломки. «Теперь, когда мы детально описали механизм, наши шансы на успех, вероятно, возрастут», — говорит Бит Кристен.

Один из возможных подходов — использование биотехнологических методов для вставки всех генов, необходимых для метаболического пути, непосредственно в культуры. Другой путь — перенос этих генов в бактерии, взаимодействующие с корнями пшеницы или кукурузы. В настоящее время эти бактерии не преобразуют атмосферный азот в аммоний, но биотехнологии имеют средства, чтобы это произошло, — и исследователи ETH теперь будут работать над этим подходом.