Исследование может упростить генетический перенос фиксации азота на продкультуры
Производительность продовольствия зависит от доступности удобрений, говорит биохимик Лэнс Зеефельдт из Университета штата Юта.
«Нам нужен азот, чтобы выжить, но мы не можем получать его из воздуха», — говорит Зеефельдт, профессор и глава кафедры химии и биохимии Университета штата Юта. «Мы получаем азот из белка в нашей пище».
Чуть более века назад процесс Габера-Боша произвел революцию в преобразовании атмосферного азота в форму, позволяющую производить удобрения в промышленных масштабах.
Открытие привело к огромному росту мирового производства продовольствия и массовому росту населения. Тем не менее, в некоторых регионах мира, включая страны Африки к югу от Сахары, отсутствует инфраструктура для импорта и распределения удобрений, не говоря уже о возможностях производства этого необходимого для питания продукта вблизи от дома.
С 2019 года Зеефельдт и старший научный сотрудник Университета штата Уругвай Чжи-Юн Ян совместно с коллегами из Испании и США работают над проектом по перепроектированию биологии зерновых культур, таких как кукуруза и рис, чтобы они могли самостоятельно, под воздействием солнечного света, фиксировать азот без внесения удобрений.
Вместе с ведущими авторами Луисом Рубио и Лусией Пайя Тормо, Карлосом Эчаварри-Эрасуном, Натальей Макаровски-Сааведрой и Аной Перес-Гонсалес из Центра биотехнологии растений и геномики Политехнического университета Мадрида (UPM), а также Исонгом Го из Университета Карнеги — Меллона Зеефельдт и Ян сообщают о более простом пути, включающем недавно известные как минимум семь генов, которые позволяют растительной клетке вырабатывать фермент, способный преобразовывать газ N2 из воздуха в удобрение.
Их выводы опубликованы в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 6 ноября 2024 года.
«Цель — поместить гены в митохондрии и хлоропласты культур, что позволит им вырабатывать достаточно энергии для фиксации азота», — говорит Ян. «Это довольно интересное доказательство. По сути, эти основные калорийные культуры — рис, кукуруза, картофель — могут иметь встроенное удобрение».
Команда изначально сузила число генов, необходимых для фиксации азота, до девяти и определила комбинации генов, которые, по их мнению, были необходимы для завершения процесса. К своему удивлению, они обнаружили, что гены, которые они обозначили как критические посредники, можно было опустить.
Зеефельдт считает, что возможность освободить зерновые культуры от необходимости внесения дополнительных удобрений имеет большое значение.
«Haber-Bosch предотвратил массовый голод и позволяет большинству из нас наслаждаться обильным, стабильным снабжением продовольствием, но это несет с собой большой углеродный след», — говорит он. «Почти 2% мировых запасов ископаемого топлива идет на производство удобрений, что является крайне загрязняющим фактором».
Кроме того, недавно обнаруженные минимальные гены могут помочь уменьшить голод в менее развитых и труднодоступных частях мира, а также в регионах, все чаще страдающих от засух, вызванных изменением климата.
Эти знания также продвигают исследования, направленные на производство продовольствия за пределами Земли. Зеефельдт и его коллега из Университета штата Калифорния Брюс Багби сотрудничали в усилиях по исследованию того, как поддерживать человеческую жизнь во время длительных космических миссий, включая полеты на Марс.
«Поэтапно мы узнаем, какие гены и какая комбинация генов необходимы для достижения фиксации азота в разных клетках», — говорит Зеефельдт. «Вместо того, чтобы играть только один валторнист, мы пытаемся заставить играть весь оркестр».
Источник: Университет штата Юта
