Азотфиксирующие злаки

Злак, обеспечивающий себя азотом, был бы крупнейшим единичным изменением, доступным сельскому хозяйству. Он не создан, и близко к этому не подошли, а причины химические, а не организационные. Эта страница о них.

Проблема — сам фермент

Биологическую фиксацию азота выполняет одно семейство ферментов. Нитрогеназа состоит из железосодержащего белка и молибден-железного белка, несущего FeMo-кофактор, и восстанавливает молекулярный азот на этом металлокластере электронами низкого потенциала, подаваемыми по одному, причём каждый перенос оплачивается гидролизом АТФ. Стехиометрия здесь беспощадна: даже в идеальном случае реакция расходует шестнадцать молекул АТФ на молекулу связанного азота и облигатно выделяет водород наряду с аммиаком, то есть часть энергии теряется по конструкции.

Хуже того, металлокластеры необратимо повреждаются кислородом — железосодержащий белок за секунды после контакта. Нитрогеназа и аэробный метаболизм поэтому взаимно исключают друг друга в одном компартменте в одно время, и у каждого фиксирующего азот организма есть на это ответ: гетероциста с утолщённой оболочкой, разделение процессов между днём и ночью, жизнь в бескислородной нише — или клубенёк.

Что такое клубенёк и чего он стоит

Ответ бобовых — целый орган. Ризобии внутри клеток корневого клубенька заключены в мембрану растительного происхождения, а кора клубенька образует регулируемый барьер диффузии кислорода. Внутри леггемоглобин — растительный глобин в высокой концентрации — связывает кислород с большим сродством, удерживая его свободную концентрацию на наномолярном уровне и одновременно подавая к бактероиду поток, достаточный для дыхания, которое оплачивает работу нитрогеназы. Это решение двух противоположных требований сразу: свободного кислорода почти нет, а доставка кислорода велика.

Платит растение углеродом. Образование клубеньков, их поддержание и энергетическая нагрузка фиксации вместе съедают заметную долю ассимилятов; поэтому бобовое с клубеньками даёт меньше, чем оно же при том же азоте из почвы, и поэтому клубенькообразование выключается при обилии нитрата. Бесплатный азот не бесплатен.

Почему перенос не удался

Второе препятствие — генетическая нагрузка. Фиксация у модельного диазотрофа требует порядка двадцати генов nif: структурные субъединицы, биосинтез кофактора, перенос электронов, созревание, — причём в определённом соотношении друг с другом. Перенести это в растение означает экспрессировать весь набор в компартменте, способном дать АТФ, восстановитель низкого потенциала и сборку железосерных кластеров, и при этом исключающем кислород; именно поэтому кандидатами служат митохондрия и пластида. Отдельные белки Nif экспрессированы, а некоторые показали активность в изолированном виде в дрожжах и растительных органеллах, но функциональная нитрогеназа в растении не собрана. Альтернативная программа — научить злак образовывать клубеньки, опираясь на сигнальные компоненты, общие у него с более древним микоризным симбиозом, — находится на той же стадии.

Что действительно применимо

Реализуемый путь бактериальный и лежит вне растительной клетки. Ассоциативные и эндофитные диазотрофы — Azospirillum, Herbaspirillum, Gluconacetobacter и их родственники — заселяют корни и внутренние ткани злаков, не образуя клубенька, и поддаются инженерии так, чтобы экспрессия nif не выключалась в присутствии аммония, а сам аммоний выделялся наружу, а не усваивался. Без клубенька нет и барьера диффузии, поэтому фиксация таких организмов ограничена их собственной защитой от кислорода и доступным им углеродом. Количества малы относительно потребности злака, однозначно измерить их в поле трудно, а опубликованные оценки ассоциативной фиксации не раз пересматривались в сторону уменьшения. Это следует считать частичным замещением удобрения, а не его заменой.