Кто накормит планету? Эндофиты

Подхлестываемые стремительным ростом населения планеты и угрожающими традиционным житницам изменениями климата ученые ищу пути выжать из земли больше пищи. Некоторые из них предлагают нетрадиционный подход: вместо того чтобы производить более выносливые культуры, используя селекцию или генетическую модификацию, они манипулируют широким спектров симбиотических микроорганизмов, живущих на растениях.

Компания «Адаптивные симбиотические технологии» (Adaptive Symbiotic Technologies) из Сиэтла вывела на рынок первый коммерческий продукт, использующий для улучшения сельскохозяйственных культур микроорганизмы, известные как эндофиты. Компания продает смесь грибков для обработки семян риса и кукурузы, которая, как утверждается, повышает урожайность культур и снижает потребление воды даже в суровых условиях. «Это реальный сдвиг в экологии растений», — говорит биолог и основатель компании Расти Родригес (Rusty Rodriguez).

В то время как биологи начинают понимать власть и влияние на человеческий организм живущих в нем триллионов микробов, экологи пытаются управлять «союзниками» растений. Вместо того чтобы искать и внедрять один ген, ответственный за нужное свойство, исследователи могут использовать множество взаимодействующих генов, предварительно интегрированных в организм, как происходит с симбиотическими грибками.

Селекция и генетические манипуляции позволяют вывести сорта с повышенной толерантностью к засухе. Но это медленный путь. В США после десятилетних исследований утверждена лишь одна подобная культура — кукуруза «DroughtGard», в которую внедрены гены бактерий, подавляющие стрессовую реакцию.

Отношения симбиоза между растениями и микробами, такими как собирающие азот бактерии, живущие на корнях бобовых, известны на протяжении десятилетий. Однако прикладные исследования в этой области ведутся сравнительно недавно.

В 1970-х исследователи поняли, что живущие в симбиозе с травой овсяницей грибки могут вызывать болезни скота. Позднее в Новой Зеландии обнаружили, что некоторые травы, в союзе с эндофитами ядовитые для животных, устойчивы к атакам насекомых. Это вызвало к жизни нишу рынка, где разрабатываются и производятся эндофиты для газонных трав, которые не только отталкивают вредителей, но и безвредны для животных.

Сегодня некоторые исследователи применяют аналогичный подход для продовольственных культур, отдаляясь от тенденции их стерилизации и изоляции от микромира. Как говорит Родригес: «Сельское хозяйство расходовало в прошлом веке удобрения и пестициды, чтобы уничтожить микробов, живущих на растениях. Сегодня мы пытаемся обратить это вспять».

Работа Родригеса началась со случайности. В начале 2000-х он изучал растения, которые смогли выжить при температуре почвы 50 градусов вблизи горячих источников в Национальном парке Йелоустоун. Оказалось, что все они существовали в симбиозе с грибами. При этом в одиночку ни растения, ни грибы не могут жить при температуре почвы выше 40о.

Позднее исследователь вместе с коллегами выяснил, что грибы могут передаваться и другим растениям, защищая их от окисления и стресса. Эти выводы направили команду на поиски эндофитов, оптимизированных для решения проблем, связанных с изменениями климата. В результате появилась коммерческая смесь «BioEnsure».

В ходе полевых испытаний во время засухи в штате Мичиган применение смеси позволило повысить урожайность кукурузы на 85%. Количество проросших семян увеличилось в 2−5 раз при похолодании до 5о. Кроме того, кукуруза требовала на треть меньше влаги.

В аналогичных условиях урожайность риса выросла на 3−6%, при этом расход воды снизился на 25−50%. Независимые тесты подтвердили безопасность смеси «BioEnsure». Департаментом сельского хозяйства она одобрена для использования в США.