Ғалымдар CRISPR технологиясының көмегімен топырақтағы бактерияларды табиғи азотты бекітуге ынталандыратын апигенин атты затты көбірек өндіретін бидай сұрпын жасады. Бұл тәсіл тыңайтқышқа жұмсалатын шығынды азайтып, қоршаған ортаға зиянды төмендетіп, өнімділікті арттыруға мүмкіндік береді.

Топырақты тыңайтудың жаңа тәсілі

Калифорния университетінің Дэвис қаласындағы зерттеушілер өздігінен тыңайтқыш түзуге қабілетті бидайды әзірледі. Бұл жаңалық әлем бойынша ауа мен судың ластануын айтарлықтай азайтып, ауыл шаруашылығына кететін шығынды төмендетуі мүмкін. Жобаны өсімдік шаруашылығы кафедрасының профессоры Эдуардо Блумвальд басқарды.

CRISPR геном редакциялау құралын пайдалана отырып, команда өсімдіктің табиғи қосылыстарының бірін өндіруін арттырды. Бидайдың тамыры бұл қосылысты топыраққа бөлгенде, ол белгілі бір бактерияларға атмосфералық азотты өсімдіктерге қолжетімді формаға айналдыруға көмектеседі — бұл процесс азотты бекіту деп аталады.

Дамушы аймақтар үшін маңызы

Көптеген дамушы елдер үшін бұл жаңалық ауыл шаруашылығы өнімін тұрақты өндіруге қолдау бола алады. Африкада тыңайтқыштар қымбат болғандықтан жиі қолжетімсіз, ал шаруашылықтардың көлемі әдетте алты-сегіз акрдан аспайды. Топырақ бактерияларын қажетті тыңайтқышты табиғи жолмен түзуге ынталандыратын дақылдарды өсіру мүмкіндігі нағыз серпіліс болуы мүмкін.

Мәселенің ауқымы мен алғышарттары

Бидай әлемдегі астық дақылдарының ішінде өндіріс көлемі бойынша екінші орында және барлық азотты тыңайтқыштың шамамен 18%-ын пайдаланады. БҰҰ-ның Азық-түлік және ауыл шаруашылығы ұйымының мәліметінше, 2020 жылы 800 миллион тоннадан астам тыңайтқыш өндірілген.

Алайда өсімдіктер енгізілген азотты тыңайтқыштың тек 30–50%-ын ғана сіңіреді. Қалған бөлігі өзендер мен жағалауларға түсіп, судағы оттегі мөлшері төмен «өлі аймақтардың» пайда болуына әкеледі, бұл су экожүйелеріне зиян келтіреді. Топырақтағы артық азот сондай-ақ қуатты парниктік газ — азот тотығының түзілуіне себеп болады.

Азотты бекітудің жұмыс істеу механизмі

Азотты бекітетін бактериялар нитрогеназа ферментін өндіреді, ол азотты бекіту процесін жүзеге асырады, бірақ бұл фермент тек бактерия ішінде және оттегі мөлшері төмен ортада жұмыс істейді. Бұршақ тұқымдастар, мысалы, үрме бұршақ пен бұршақ, табиғи түрде бактерияларға қолайлы түйнектер түзеді. Ал бидай мен басқа дақылдардың көпшілігінде мұндай түйнектер болмайды, сондықтан синтетикалық азотты тыңайтқыштар кеңінен қолданылады.

Ғалымдар ұзақ уақыт бойы түйнек түзетін немесе азотты бекітетін бактериялармен симбиозға түсетін астық дақылдарын жасауға тырысты, бірақ айтарлықтай жетістікке жете алмады. Жаңа тәсілде бактериялардың орналасуы маңызды емес, бастысы — бекітілген азот өсімдікке жетіп, ол оны пайдалана алса жеткілікті.

Тиімді қосылыстарды іздеу

Зерттеушілер өсімдіктер өндіретін 2800 табиғи қосылысты зерттеп, бактерияларды биоқабықша түзуге ынталандыратын 20 қосылысты анықтады. Бұл жабысқақ қабықшалар бактерияларға оттегі мөлшері төмен микросреда жасап, нитрогеназаның жұмыс істеуіне қолайлы жағдай туғызады. Команда кейін осы қосылыстардың өсімдіктерде қалай синтезделетінін анықтап, тиісті гендерді тапты.

Осы деректерге сүйене отырып, CRISPR көмегімен бидай өсімдіктері модификацияланып, олардың осындай қосылыстардың бірі — флавон апигенинді көбірек өндіруі қамтамасыз етілді. Артық апигенин топыраққа бөлініп, бактерияларды қорғаныш биоқабықша түзуге ынталандырады, бұл нитрогеназаға азотты бидайға қолжетімді формада бекітуге мүмкіндік береді. Азотты тыңайтқыш өте аз енгізілген жағдайда да модификацияланған бидай бақылау өсімдіктеріне қарағанда жоғары өнім көрсетті.

Экономикалық және экологиялық әсері

АҚШ-та фермерлер 2023 жылы тыңайтқышқа шамамен 36 миллиард доллар жұмсады, ал астық дақылдары 500 миллион акрға егілді. Осы алқаптарда тыңайтқышты 10% үнемдеу жыл сайын миллиардтаған доллар үнемдеуге мүмкіндік береді.

Дамудың болашағы

Бұл инновация топтың күрішпен жасаған алдыңғы жетістігіне негізделген, сондай-ақ басқа негізгі астық дақылдары үшін де ұқсас зерттеулер жүргізілуде. Мұндай технологияларды енгізу ауыл шаруашылығына деген көзқарасты түбегейлі өзгертіп, оны тұрақты әрі экологиялық таза салаға айналдыруы мүмкін.