Дикий предок кукурузы поможет сократить использование удобрений

Кукуруза – гигант мировой продовольственной цепи. Только США в сезоне 2024–2025 годов произведут почти 278 миллионов метрических тонн, что составляет около 30% мировых поставок. Однако путь этой культуры от дикой травы до основного продукта питания начался в центральной Мексике с теосинте – растения, чье название на языке науатль означает «священная кукуруза». За тысячи лет одомашнивания и селекции теосинте превратился в знакомые нам початки.

Сегодня ученые возвращаются к дикому предку кукурузы, чтобы найти черты, которые могли быть непреднамеренно утеряны в процессе селекции. Эти гены влияют на то, как корни взаимодействуют с почвенными микробами и управляют круговоротом азота – ключевого элемента для роста растений, но и источника серьезных экологических проблем при его избытке.

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, сравнило современную кукурузу с линиями, в которые были интегрированы определенные наследственные черты от теосинте. Оказалось, что эти «дикие» гены создают особую микробную среду в ризосфере – узкой зоне почвы вокруг корней, – тонко влияя на азотный цикл в полевых условиях. «Ключевая идея в том, что мы можем использовать генетическое разнообразие диких предков, чтобы сделать нашу современную сельскохозяйственную систему более устойчивой», – отмечает Алонсо Фавела, ведущий автор исследования и эколог из Аризонского университета.

Азот необходим для роста урожая, однако растения усваивают лишь около половины вносимых в почву азотных удобрений. Остальное часто преобразуется почвенными микробами в летучие соединения, такие как закись азота – мощный парниковый газ, – или в растворимые формы, которые вымываются в грунтовые воды и реки, загрязняя их. Этот процесс происходит как раз в ризосфере, где корни растений ведут непрерывный диалог с микроорганизмами.

В природе растения эволюционировали, чтобы конкурировать с «пожирающими азот» микробами за ценный ресурс. Однако современная кукуруза, выведенная в условиях избытка удобрений, в значительной степени утратила это конкурентное преимущество. «Современная кукуруза не особо заботится об управлении азотом, потому что его всегда много вокруг, но теосинте отлично умеет конкурировать с микробами», – объясняет Фавела. Возвращая ей древние черты, ученые меняют это соотношение сил, и большая часть азота достается растению, а не уходит в окружающую среду.

В ходе полевых экспериментов команда Фавелы вырастила обычную кукурузу, теосинте и их гибриды на одном поле. Анализ показал, что растения с генами теосинте выделяют корнями иной набор химических соединений – так называемых экссудатов. Эти сигналы меняют состав и активность микробного сообщества в почве, подавляя микробов, которые способствуют потерям азота. Генетический анализ помог точно определить участки в геноме теосинте, ответственные за эти изменения.

Полученные результаты открывают путь к созданию более экологичного сельского хозяйства. Один из подходов – целенаправленное внедрение генов теосинте в элитные сорта кукурузы. Это может не только снизить потребность в удобрениях без потери урожайности, но и даже улучшить рост растений в условиях ограниченного питания. Другое возможное решение – разработка почвенных добавок на основе природных соединений, выделяемых «дикими» корнями, для точечного контроля потерь азота.

Возвращение кукурузе ее «диких» черт может показаться шагом назад. Однако на самом деле это работа по восстановлению утраченного биоразнообразия. «В процессе селекции многое могло быть утеряно, и мы даже не знаем, что именно. В конечном счете эта работа дает нам большее разнообразие, с которым можно работать», – заключает Фавела. Эти дикие разновидности хранят в себе характеристики, способные сделать современное сельское хозяйство более устойчивым и эффективным.