Снижение выбросов метана у трансгенных генотипов риса связано с изменённым циклом водорода в ризосфере микробов

Рис, климат и обещание более «умных» корней

Рис кормит около половины человечества, но затопленные рисовые поля также являются одним из крупнейших антропогенных источников метана — мощного парникового газа. По мере роста мирового спроса на рис эти выбросы могут увеличиваться, если не найдутся способы выращивать рис более бережно по отношению к климату. В этом исследовании рассматривается удивительно тонкий рычаг сокращения метана: изменение развития корней риса и того, что они выделяют в окружающую почву, что, в свою очередь, перестраивает микроскопическую жизнь, производящую и потребляющую метан.

Уменьшение метана с помощью генетически модифицированного риса

Исследователи тестировали растения риса, генетически модифицированные для сверхпродукции небольших сигнальных молекул, называемых пептидами PSY, которые естественным образом контролируют развитие корней. Эти «PSY‑рисы» выращивали в настоящей пашне вместе с немодифицированными растениями в тепличных резервуарах. В течение 70 дней все растения развивались нормально, но линии PSY выделяли значительно меньше метана: примерно на 38% меньше в одной группе (PSY1) и на 58% меньше в другой (PSY2) по сравнению с обычным рисом. Такое снижение существенно, учитывая, что, по оценкам, рисовые поля вносят примерно десятую часть сельскохозяйственных выбросов парниковых газов в мире.

Как разные корни перестраивают подземный мир

Под поверхностью растения PSY выглядели и вели себя иначе. Их основные корни были длиннее, с большим количеством внутренних воздушных каналов (аеренхимы) и меньшим содержанием жёсткого соединения лигнина в клеточных стенках. Эти черты, вероятно, позволяют большему количеству кислорода просачиваться из корней в окружающую грязь. Кислород, в свою очередь, поддерживает микробов, способных разрушать метан или перерабатывать углерод другими путями, сдвигая тонкий баланс между образованием и уничтожением метана в почве. При этом общий состав микробных видов оказался удивительно схожим между PSY и обычными растениями; сильнее всего изменялась активность разных микробных групп.

Микробы, водород и «трубопровод» метана

Метан в затопленных рисовых почвах в основном образуют специализированные микробы, использующие в качестве топлива молекулярный водород и углекислый газ. Команда обнаружила, что в почвах вокруг обычного риса со временем активность генов, вовлечённых в образование метана, возрастала сильнее, чем активность генов, отвечающих за разложение метана, смещая систему в сторону больших выбросов. Напротив, в почве вокруг растений PSY соотношение активности производителей и потребителей метана оставалось ниже. Детальный анализ экспрессии генов показал, что в почвах PSY была ниже активность ферментов, генерирующих водород, и выше активность ферментов, его окисляющих, особенно у бактерий, использующих водород для получения энергии. При меньшем количестве свободного водорода «трубопровод», снабжавший метанобразующие микробы, фактически был перекрыт.

Корневые выделения: питание нужных микробов

В исследовании также изучали химический коктейль соединений, которые корни риса выделяют в воду — так называемые эксудаты. Корни PSY выделяли иной набор молекул по сравнению с обычными корнями, особенно больше малых органических кислот и аминокислот, связанных с типом метаболизма, называемым глюконеогенезом. Сочетая измерения метаболитов с моделями метаболизма на основе геномов, авторы показали, что бактерии, потребляющие водород, особенно хорошо приспособлены к использованию этих кислот, тогда как водородообразующие микробы менее пригодны для этого. В инкубациях почвы добавление эксудатов от PSY‑растений приводило к меньшему накоплению метана, чем добавление эксудатов от обычного риса, что подтверждает идею о том, что изменённая корневая химия напрямую направляет микробную активность прочь от производства метана.

Новый путь к климатически нейтральному рису

Для неспециалистов основной вывод прост: изменение механики роста корней риса и того, что они выделяют, может существенно сократить выбросы метана без необходимости коренным образом менять режимы орошения или удобрений у фермеров. Линии PSY подают в зону корней больше кислорода и больше микробно‑доступных кислот, стимулируя бактерий, «жадных» до водорода, и лишая топлива метанобразующие микробы. Хотя работа была проведена в контролируемых тепличных условиях и потребует подтверждения на полевых испытаниях, она указывает на перспективную стратегию селекции и биотехнологий: проектировать культуры не только под урожайность и устойчивость к болезням, но и под невидимую химию, определяющую их климатический след.

Цитирование: Shi, LD., Ercoli, M.F., Kim, J. et al. Reduced methane emissions in transgenic rice genotypes are associated with altered rhizosphere microbial hydrogen cycling. Nat Commun 17, 2028 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68640-9

Ключевые слова: рис и метан, корневой микробиом, снижение парниковых газов, трансгенные культуры, почвенные микробы