Биотехнология: что это такое? - Вакула Владимир Леонтьевич
Второе направление развития работ в области фиксации азота остается традиционным: конструирование штаммов, обладающих в высшей степени выдающимися способностями утилизации молекулярного азота.
Разумеется, каждое такое направление подразделяется на великое множество ответвлений, нередко пересекающихся друг с другом в своем развитии. Наиболее значимыми среди этих пока что «боковых» ответвлений на символическом древе современной микробиологии представляются мне молодые его побеги, развитие которых стимулировала все та же генетическая инженерия. Смысл задуманной ею операции по совершенствованию азотфиксирующей деятельности микроба сводится к тому, чтобы изъять из его генетического аппарата балластные, с точки зрения практических интересов человечества, опероны.
Такая «модернизация» микроорганизмов позволила бы всю их жизнедеятельность подчинить единственной задаче — фиксации атмосферного азота, не растрачивая уникальную клеточную энергию на то, что, опять же с нашей точки зрения, представляется балластом.
И еще пример весьма заманчивого использования «ответвления» главного направления. Взять ту же проблему внутриклеточной энергии, от которой в конечном счете зависит, насколько результативна бактериальная деятельность по ассимиляции атмосферного азота. Производит энергию, как мы теперь знаем, нитрогеназа. Но даже такая экономная хозяйка, как она, не всегда рационально использует свои возможности: сорок процентов всей вырабатываемой ею энергии расходуется на выделение атомарного водорода. Но он ни для жизнедеятельности самой клетки, ни находящемуся с ней в симбиотическом союзе растению не нужен. Вот и получается, что дефицитная энергия сжигается напрасно. Между тем существуют клубеньковые бактерии, обладающие еще одним ферментом, так называемой гидрогеназой, способной утилизировать выделенный клеткой водород, практически целиком его используя для всевозможных внутриклеточных нужд.
Колосья растущие на букве
Вот бы наделить столь полезными свойствами все бактерии! Тогда бы им и ассимиляция «безжизненного» элемента обошлась бы намного дешевле, поскольку гидгогеназа благодаря своему ферментативному совершенству значительно сокращает энергетические расходы на процесс азотфиксации. Но возможно ль такое? Сегодня и на этот вопрос наука в состоянии ответить утвердительно. И хотя такого рода работы в промышленном масштабе пока что перспективны лишь для клубеньковых, то есть для симбиотических бактерий, возможности применения генетической инженерии столь широки, что нет никаких сомнений в том, что со временем промышленное производство высокопродуктивных штаммов свободноживущих бактерий тоже окажется экономически выгодным. Думается, что к решению этой проблемы ученые подойдут уже в ближайшей перспективе. По крайней мере, практические нужды земледелия диктуют им свои сроки.
Разговор о перспективах, связанных с микробиологическими и биотехнологическими аспектами повышения почвенного плодородия, можно было бы продолжать еще довольно долго. Ограничимся, однако, еще только одним рассказом. Речь на сей раз пойдет о методе бактеризации семян, довольно прочно вошедшем в сельскохозяйственную практику.
Бактеризация — предпосевное «заражение» семян азотфиксирующими микроорганизмами. Попадая вместе с семенами в почву, такие микробы селятся на формирующейся корневой системе растения, образуя на ней клубеньки. Далее все идет по заранее известной схеме. Но вот что интересно: как установлено, стимулирующее влияние на развитие растений способны оказывать не только симбиотические клубеньковые бактерии, предпочитающие содружество с бобовыми, но и бактериальное сообщество, населяющее клубеньки небобовых травянистых растений. Что же дает такое открытие?
Очень многое. И в первую очередь возможность понять механизм восстановления плодородия почв с помощью многолетних трав. Речь, прежде всего, идет о перспективах восстановления утраченной урожайности естественных угодий, к которым относятся пойменные и естественные пастбища, сенокосы, луга.
Это, как говорится, задача из задач. Без ее решения Продовольственной программы стране не выполнить. Недаром еще пять лет назад на одном из Пленумов ЦК КПСС речь шла о рациональном использовании резервов естественных кормовых угодий. «За повышение продуктивности всех лугов и пастбищ надо браться безотлагательно, всеми силами и со всей настойчивостью» — говорилось в документах Пленума. А что способен дать луг, который культурно, со знанием биологии растений, почв, водного режима, связей биоценоза
(то есть всех организмов, сосуществующих в его пределах) эксплуатируется, — науке хорошо известно. Как говорится, хотите верьте, хотите проверьте, но в хозяйстве Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института кормов имени В. Р. Вильямса (ВИК) есть опыт, заложенный белее полувека тому назад.
Собственно, слово «заложенный» здесь вряд ли соответствует своему общепринятому смыслу, поскольку никто ничего специально с естественным лугом не делал. Речь идет о другом: о сохранении на протяжении десятилетий данного ему природой многотравья. Луг этот никогда никакими удобрениями не подкармливался, не поливался, не орошался, на нем никогда не производили подсевы, а между тем вот уже более полувека он остается единственной кормовой базой высокопродуктивного стада животных. Аналогичный опыт проводится в ВИКе и с естественным пастбищем, на котором выпас животных ведется по специально разработанной технологии, обеспечивающей быстрое восстановление растений (так называемой отавы) взамен уже съеденных, как говорят специалисты, потравленных животными.
Как же должен быть богат азотом тот луг, плодородно то пастбище, чтобы 50 лет кряду, ничего не получая взамен, полностью обеспечивать ценнейшими кормами породистое дойное стадо! И они действительно богаты и сильны, потому что не нарушена, не растрачена всуе по неведению и бесхозяйственности основа их благоденствия — биоценоз, ядро которого составляет содружество растений и азотфиксирующих бактерий.
К сожалению, о бактериальных сообществах, населяющих клубеньки многих травянистых небобовых растений, наши агрономы и селекционеры, можно сказать, ничего не знают. Между тем практические возможности таких бактерий-азотфиксаторов столь многоплановы и широки, что использование их в земледелии позволило бы вести его на иной, гораздо более приближенной к естественным условиям, основе. При этом интенсификация последнего не только не снизилась бы, но и многократно возросла. Об этом свидетельствуют результаты экспериментов, проведенных в самых широких масштабах. Причем велись они с основными нашими хлебными культурами — ячменем и пшеницей, семена которых подвергались бактеризации с помощью микроорганизмов, симбиотирующих с небобовыми травянистыми растениями. И что же?
Посевы злаковых поднимались, к великой радости исследователей, «как на дрожжах». Азотный допинг, полученный ими от бактерий, оказался столь мощным, что они нашли в себе силы противостоять и всевозможным гнилям (традиционным болезням злаковых), и нашествию насекомых-вредителей, и, что главное, дать по осени урожай, значительно превышающий тот, что собирают с полей, засеянных небактеризованными семенами.
Вот что значит для жизнедеятельности растений и плодородия почвы бактериальный азот! Но почему не раз и не два звучит в нашем рассказе это словосочетание — бактериальный азот? — может полюбопытствовать читатель. Разве есть какой-то иной способ обогащения почвы этим элементом?
Да, он существует. Но в отличие от бактериального, клеточного, называется небиологическим. Азот, полученный таким способом, в буквальном смысле слова рожден громами небесными, а у его «колыбели» стояли фотохимические реакции, сопутствующие грозе. Этот азот для земли — манна небесная, и не только в переносном смысле, но и в прямом: азотные соединения и в самом деле проливаются на землю с дождем.
