Меньше удобрений – больше урожаи
Растения поглощают азот из почвы — ключевой компонент для большинства биологических молекул. Для эффективного выращивания урожая, азот должен быть добавлен в почву равномерно. Масштабное использование с середины 20-ого столетия искусственных азотистых удобрений, привело к значительному повышению урожаев у фермеров, но также нанесло вред окружающей среде.
Исследователи растений работают над совершенствованием способов накопления и использования азота хлебными злаками. Главная цель состоит в том, чтобы получить зерновые культуры, которые могут использовать азот из атмосферы.
Растения нуждаются в азоте для метаболических процессов и для роста. Это ключевой компонент аминокислот, в создания белков и хлорофилла. Азот — самый многочисленный элемент. Прежде всего, он присутствует в газообразной форме в атмосфере Земли — 78 процентов. Однако, растения не могут использовать азот в такой форме, они могут поглощать его только в виде ионов аммония или нитрата. Так как эти компоненты присутствуют только в небольших количествах в почве, фермеры должны постоянно добавлять их, если хотят получить хорошие урожаи.
Корневые узелки — дом для бактерий
Традиционные методы добавления в пахотную землю соединений азота так необходимых растениям, заключаются в добавлении жидких растворов и удобрений или совместного выращивания с бобами и горохом, клевером и люпином. Бобовые формируют симбиоз с определенными бактериями, ризобии (rhizobia) — клубневыми бактериями. В отличие от растений, эти бактерии могут обработать атмосферный азот, потому что они содержат определенный фермент, нитрогеназу (nitrogenase). Если присутствуют ризобии в почве, то бобовые формируют корневые узелки на своих корнях, тем самым, предоставляя дом бактериям. Они преобразовывают азот в аммиак, который после могут использовать растения для создания аминокислот. До середины 20-ого столетия это была обычная практика в тех странах мира, где регулярно выращивались бобовые для получения урожая. Это изменилось когда стали широко доступны искусственные азотистые удобрения. В органическом сельском хозяйстве, которое запрещает использование искусственных удобрений, бобы и навоз — единственные источники азота.
Синий люпин из семейства бобовых
Многочисленное использование искусственных удобрений с середины 20-ого столетия, способствовало увеличению урожаев фермеров, но также породило ряд проблем с охраной окружающей среды. Не весь азот поглощается и используется хлебными злаками. Часть его навсегда остается в почве, особенно если было использовано слишком много удобрений. Этот азот вымывается из почвы грунтовой водой и поступает в озера и реки, и может привести к смерти многочисленных организмов. Кроме того, когда соединения азота перерабатываются почвенными бактериями, получается оксонитрид азота (веселящий газ), который повреждает озоновый слой. Особенно это актуально, если использовать большое количество смесей и удобрений на землях, где также интенсивно занимаются животноводством. Да и для получения искусственных удобрений, необходимо много энергии.
Сейчас предпринимаются попытки по более экономному и эффективному использованию азотистых удобрений. В течение последних лет, люди создавали новые удобрения, которые за более длительный промежуток времени достаточно медленно образовывают азот, да и так, чтобы он не смог накопиться в почве. Другой вариант — точный расчет урожая, который уже широко распространен в США. Здесь, используются технологический метод по вычислению нормированной дозировки удобрений на каждый квадратный метра земли и соответствующее их применение.
Появилась новая цель: Улучшение способов образования и использования азота
Исследователи растений работают над способами образования и использования азота хлебными злаками. С помощью одного нового способа можно оптимизировать метаболизм растений с точки зрения использования азота. Исследователи в Токийском университете ввели ген кукурузы в геном риса, который заставляет растения производить больше биомассы. Это вынуждает их поглощать азот более эффективно. Эти растения растут, даже при незначительном количестве азота.
У американской компании Arcadia Biosciences, в которой BASF держит свою долю, есть ГМ- семена подсолнухов и риса, которые производят большое количество аминокислот, даже при малом количестве азота в почве. При проведении полевых испытаний с низким содержанием азота в почве, модифицированные растения произвели более высокие урожаи, чем обычные растения. Исследования продолжались в течение нескольких лет. План заключался в том, чтобы применить подобные генетические модификации на других хлебных злаках, включая пшеницу. Компания Arcadia Biosciences на международном уровне работает совместно с частными компаниями, фондами и сельскохозяйственными научно-исследовательскими институтами, включая национальное научное агентство Австралии CSIRO и африканский сельскохозяйственный технологический фонд.
В 2012 году, испытания начнутся в Швеции над трансгенным ячменем, который нуждаться в меньшем количестве азотистых удобрений. Теперь в течение нескольких лет, ученые больше сосредоточатся на том, как получить ионы аммония или нитрата, и растения смогут получать аминокислоты из гниющего органического материала в почве. Трансгенный ячмень содержит два новых гена, которые помогают культуре поглощать из почвы аминокислоты более эффективно. На период с 2012 до 2016 года запланированы эти испытания.
Также, ученые пытаются получить хлебные злаки схожие на бобовые, так как они могут вступить в симбиоз с азотосвязывающими бактериями. Достаточно долго, они занимались исследованием, какие метаболические процессы участвуют в симбиозе между бобовыми и ризобиями. Они теперь знают, что они в значительной степени подобны метаболическим процессам, проходящим при формировании микоризы, процессам которые возникают при взаимодействии корневых систем между растениями и грибами, большинство растений способны к таким процессам. Ученые из Центра Джона Иннеса в Норидже (Norwich) (Великобритания) возьмут эти метаболические процессы, присущие большинству растениям, как отправную точку и попытаются изменить их, чтобы позволить даже не бобовым растениям как хлебные злаки, создать симбиоз с ризобией.
Исследователи из Бременского университета наблюдали схожий симбиоз, который образовывается между бобовыми и ризобией между пакистанской травой, которая выращивается вместе с рисом и азотосвязывающими бактериями из рода Azoarcus. Они все еще исследуют, как происходит этот симбиоз. Как только ученые поймут, какие гены травы участвуют в развитие симбиоза, они могут попытаться скрестить соответствующие сегменты генома в рисе.
Многие проблемы связанны с не знаем протекания хотя бы основных химических процессов, поэтому и простые потребители всегда страдают. Например, мало кто знает, что вот это: http://www.virsavia.ru/lab_collection/ вполне безопасно для вашего организма, это дает много перспектив для нашего здоровья.
