36. Биологическая фиксация азота. Генно-инженерные работы в области биологической фиксации азота.

Существует два способа обеспечения растений азотным питанием denovo:

• биологический (фиксация молекулярного азота живыми организмами),
• химический (внесение азотных удобрений).

Второй из них — более дорогостоящий и опасный, так как ухудшает экологическую обстановку. Биологическую фиксацию осуществляют в основном симбиотические микроорганизмы, что ограничивает ее применение в интенсивных сельскохозяйственных технологиях. В настоящее время известны четыре главные системы симбиоза:

• Rhizobia — бобовые,
• Azolla-Anabaena— рис,
• Actinomyces — деревья,
• Spirillum — травы.

Из всех известных в настоящее время азотфиксаторов лучше всего изучены ризобии, образующие симбиоз с бобовыми растениями. У них гены, вовлеченные в процесс азотфиксации, обозначаются индексами nifи fix. Первые кодируют ферменты и факторы нитрогеназного комплекса, вторые — все остальные гены, продукты которых участвуют в азотфиксации. Кроме того, большое значение имеют гены sym: они определяют симбиоз между растением и ризобиями, формирование клубеньков. Установлено существование:

• hsn-генов, которые определяют видовую специфичность взаимодействия ризобий с данным видом бобовых,
• enf-генов, повышающих эффективность образования клубеньков.

Есть и другие гены, однако они еще мало изучены.

Генно-инженерные работы в области биологической фиксации азота. Основная часть генов nif-области является высоко консервативной. При трансгенозе в другие виды бактерий продукты этих генов легко вписываются в метаболизм гетерологического хозяина. Так, в рекомбинантной Е. coli (родственной азотфиксаторам) в анаэробных условиях имелись нормальная экспрессия nif-генов и успешная азотфиксация. Попытались переносить nif-гены аэробных азотобактерий в клетки и других почвенных микроорганизмов, однако пока неудачно.

Наряду с трансгенозом nif-генов в бактерии разрабатывается генно-инженерный проект по переносу nif-функций в высшие растения, чтобы обеспечить связывание азота непосредственно в растительных тканях, независимо от наличия особых симбиотических организмов. Симбиотические отношения между ризобиями и их естественными бобовыми партнерами определяются сложной системой sim-генов, перенос которых клеткам Agrobacterium tumefaciens (способны инфицировать широкий круг двудольных растений) привел к формированию клубеньков, но в последних отсутствовали некоторые структуры, бактероиды, не было азотфиксации.

 Помимо бактериальных генов в формировании клубеньков, образовании бактероидов и последующей фиксации азота участвует ряд генов растений. Основные растительные белки, участвующие в нормальном течении симбиогенеза, — леггемоглобины, нодулины.

Функции леггемоглобина:

• обеспечение низкой концентрации кислорода в клубеньке;
• поставка в клубеньки связанного кислорода, необходимого для системы окислительного фосфорилировапия бактероида.

Функции нодулинов:

• транспорт восстановленного азота из клубеньков в растение;
• поддержание структурно-функциональной организации клубеньков и обеспечение особого состояния бактероида.

Гены, кодирующие леггемоглобины, можно переносить из одного вида растений в другой. Гены нодулинов не клонированы.

Более частной генно-инженерной задачей, доступной для решения в ближайшем будущем, станут:

• повышение эффективности существующих систем азотфиксации с помощью известных приемов, основанных на увеличении дозы гена, усилении транскрипции тех генов, продукты которых образуют узкое место в каскадном механизме азотфиксации, путем введения более сильных промоторов,
• увеличение КПД самой нитрогеназной системы,
• создание новых симбионтов.

Исходя из этого главными целями генно-инженерных и селекционных работ, проводимых в области биологической фиксации азота, на данный момент являются:

• создание штаммов ризобий с усиленной азотфиксацией и колонизирующей способностью,
• селекция растений в расчете на встречное получение культиваров с высокой способностью к симбиогенезу и обеспечению эффективной фиксации азота симбионтом.