Судьба азота в сельском хозяйстве и окружающей среде: агрономические, эколого-физиологические и молекулярные подходы к повышению эффективности использования азота

Азот является главным лимитирующим питательным элементом после углерода, водорода и кислорода для фотосинтетических процессов, фитогормональных и протеомных изменений, а также роста и развития растений на протяжении их жизненного цикла. Чрезмерное и неэффективное использование азотных (N) удобрений приводит к увеличению затрат на производство сельскохозяйственной продукции и загрязнению атмосферы. Молекулярный атмосферный азот (71%) недоступен растениям. Для обеспечения устойчивого производства продовольствия в мире и защиты атмосферы необходимо срочно повысить эффективность использования азота в сельскохозяйственных системах. Эффективность использования азота представляет собой произведение эффективности поглощения азота и эффективности его использования и составляет от 30,2 до 53,2%. Потери азота чрезмерно велики из-за внесения избыточных количеств удобрений, низкой густоты стояния растений, неправильных способов внесения и других факторов и могут достигать 70% общего доступного азота. Эти потери можно снизить до 15–30% за счет применения усовершенствованных агрономических подходов, таких как внесение оптимальных доз азота, использование датчиков растительного покрова для определения необходимости внесения N, поддержание оптимальной густоты стояния растений, капельная фертигация и междурядное выращивание культур с участием бобовых. Несколько трансгенных исследований продемонстрировали повышение поглощения азота и даже увеличение биомассы. Ферменты нитратредуктаза, нитритредуктаза, глутаминсинтетаза, глутаматсинтаза (также известная как глутаминоксоглутаратаминотрансфераза) и аспарагинсинтетаза играют важную роль в метаболизме азота. Однако для повышения эффективности использования азота необходимы дальнейшие исследования углеродно-азотного метаболизма и молекулярных изменений на омиксном уровне с применением технологии полногеномного секвенирования. В настоящем обзоре рассматривается эффективность использования азота — одна из основных проблем современного сельского хозяйства, — как средство сохранения экономических ресурсов без снижения урожайности и ущерба для глобальной экологической безопасности, включая выбросы парниковых газов, улетучивание аммония и вымывание нитратов.