Повышение эффективности биологической азотфиксации

Атмосферный азот фиксируется благодаря уникальному ферменту — нитрогеназе. Структура нитрогеназы одинакова у всех азотфиксирующих организмов. Это один из наиболее сложных ферментов, использующих простые субстраты. Непременное условие работы нитрогеназы — защита ее от кислорода, который ингибирует не только активность нитрогеназы, но и ее биосинтез. Кроме азота, нитрогеназа может восстанавливать ацетилен, цианистый водород, закись азота и некоторые другие соединения. Восстановление ацетилена в этилен позволило разработать надежный тест для обнаружения азотфиксирующей активности.

Лучше всех среди азотфиксаторов изучены ризобии, образующие симбиоз с бобовыми растениями, и свободноживущая бактерия Klebsiella pneumoniae. Установлено, что у этих бактерий за фиксацию азота ответственно 17 генов — так называемые nif-гены. Все они сцеплены друг с другом и расположены в хромосоме между генами, кодирующими биосинтез гистидина (his), и генами, ответственными за усвоение шикимовой кислоты (shiA).

Гены, кодирующие синтез белковых субъединиц компонентов нитрогеназы, образуют единый оперон HDKY. У быстрорастущей ризобии nif-тепы существуют в форме мегаплазмиды, содержащей 200−300 т. п. н. В клетках симбиотических бактерий плазмиды, кроме структурных генов нитрогеназы, содержат гены, отвечающие за развитие корневых клубеньков у определенных видов бобовых.

Конструирование плазмид, несущих nif-гены, позволяет передавать способность к фиксации азота организмам, не обладающим этим свойством. Среди бактерий, кроме Е. coli, такой перенос осуществлен для бактерий Salmonella typhimurium, Erwinia herbicola и др. Однако подобные манипуляции могут приводить к нежелательным эффектам. Так, перенос генов в штамм Erwinia (бактерии, вызывающие гниение растений) может усилить его патогенное действие. Кроме того, существует вероятность случайного переноса вместе с nif-генами каких-то нежелательных генов.

В настоящее время внимание ученых привлекают проблемы введения генов азотфиксации в клетки небобовых растений, создания ризоценозов между этими растениями (особенно злаками) и азотфиксирующими организмами, повышения мощности корневой системы бобовых растений для увеличения на ней количества клубеньков. Кроме того, предполагается создание новых азотфиксирующих систем путем введения диазотрофных микроорганизмов в каллусные ткани растений с последующим образованием из них растений-регенерантов, а также повышение эффективности фиксации азота путем воздействия на гены, контролирующие этот процесс.

Таким образом, наиболее перспективными направлениями являются повышение эффективности фиксации азота в уже существующих природных системах за счет воздействия на гены, контролирующие этот процесс, а также увеличение мощности корневой системы бобовых растений и создание новых азотфиксирующих систем с помощью методов клеточной инженерии.