Чтобы прокормить растущее население Земли, нужно использовать больше удобрений, но они неэффективны и неэкологичны. При их производстве в атмосферу попадают тонны парниковых газов, а растения усваивают лишь 40% внесенных веществ. Остальное смывается дождем в водоемы и вызывает бурное размножение водорослей, которые подавляют растительную и животную жизнь.

Исследователи предлагают решить проблему, научив растения получать необходимые вещества прямо из воздуха. В атмосфере их более чем достаточно, ведь азот составляет 78% ее состава.

Некоторые растения, например, бобовые, могут усваивать атмосферный азот за счет симбиоза с бактериями, однако это скорее исключение, чем правило.

Исследователи из Университета Вашингтона в Сент-Луисе, о работе которых рассказывает phys.org, решили создать сельхозкультуры, которые будут самостоятельно усваивать азот из воздуха. Для этого они обратились к фотосинтезирующим бактериям, известным как цианобактерии.

Эти организмы смогли снять противоречие между фиксацией азота и производством кислорода. Два этих процесса мешают друг другу. Но представители рода Cyanothece просто развели их во времени: в течение дня они получают энергию за счет воды и солнечного света, а по ночам, когда фотосинтез останавливается, впитывают азот.

Cyanothece — одни из немногих бактерий с циркадным ритмом. Исследователи решили проверить, будет ли этот механизм работать у других видов. Они выделили из Cyanothece кластер из 35 генов, отвечающих за «режим дня», и ввели представителям другого рода — Synechocystis.

В результате цианобактерия смогла фиксировать азот в отсутствие кислорода, но этот процесс достигал лишь 2% эффективности, характерной для Cyanothece. Сократив количество внедренных генов до 24, ученые добились 30% эффективности. При добавлении небольшого количества кислорода этот показатель заметно снижался, но ситуацию удалось исправить добавлением еще нескольких генов Cyanothece.

На этом этапе важны были не абсолютные показатели, а проверка принципа. Исследователям удалось доказать, что генная инженерия способна создать организмы, самостоятельно фиксирующие атмосферный азот.

Следующий шаг — сокращение числа целевых генов и опыты с растениями. Если команда добьется успеха, это совершит революцию в сельском хозяйстве. Особенно велик будет эффект для фермеров, которые занимаются натуральным хозяйством — по расчетам Всемирного банка, таких на Земле около 800 млн человек.

По мнению ООН, сельское хозяйство — одна из сфер хозяйствования, которые нуждаются в срочном реформировании. Сегодня производство еды неэкономично и неэкологично. Чтобы исправить ситуацию и накормить голодающих, нужно использовать новые технологии. Единого подхода пока нет: в Чили идут эксперименты по выращиванию растений на полях с солнечными батареями, а в Европе и США роботов учат прицельно пропалывать грядки.