Растения, как и животные, не усваивают свободного азота, а должны получать его извне в связанном виде, обычно в виде солей аммония (NH4 ). Связывание азота происходит некоторыми видами МО - азотфиксирующими бактериями, а также азотфиксирующими цианобактериями (синезелеными водорослями). Из таких бактерий наибольшее значение имеют клубеньковые бактерии ризобии, которые вступают в симбиоз с бобовыми растениями, образуя у них на корнях клубеньки. В них и происходит фиксация азота - восстановление атмосферного азота до аммония за счет энергии окислительных реакций. Менее эффективны почвенные бактерии, не образующие клубеньков, - азоспириллы, которые живут вблизи корней трав и злаков.

Сиcтема фиксации азота состоит из сложного комплекса многих ферментов, главный из которых - нитрогеназа. Структура нитрогеназы одинакова у всех азотфиксирующих организмов. При фиксации азота непременным физиологическим условием является защита нитрогеназы от разрушения под действием кислорода. Она восстанавливает азот до аммония, используя для этого энергию окисления ацетилена в этилен. Образование этих ферментов контролируется 17 генами, которые образуют систему так называемых Ниф-генов (nif-генов). Гены эти сейчас изучены и клонированы. Они находятся на особой плазмиде, но весь процесс фиксации азота зависит также и от других генов, контролирующих, в частности, поступление энергии. Среди генов азотфиксации выявлены гены, контролирующие структуру нитрогеназы, белковый фактор, принимающий участие в транспорте электронов, регуляторные гены. Регуляция генов азотфиксации довольно сложна, поэтому генноинженерный перенос азотфиксирующей функции от бактерий непосредственно высшим растениям в настоящее время уже не обсуждается. Как показали эксперименты, даже в самом простом эукариотическом организме — дрожжах не удалось добиться экспрессии nif-генов, хотя они и сохранялись в течение 50 генераций.

Диазотрофность (азот-фиксация) свойственна исключительно прокариотическим организмам, и nif-гены не смогли преодолеть барьер, разделяющий прокариоты и эукариоты, из-за слишком сложной своей структуры и регуляции генами, расположенными вне nif-области. Возможно, более удачным окажется перенос nif-генов с помощью Ti-плазмид в хлоропласты, поскольку механизмы экспрессии генов в хлоропластах и в клетках прокариот близки. В любом случае нитрогеназа должна быть защищена от ингибирующего действия кислорода. Кроме того, фиксация атмосферного азота - очень энергоемкий процесс. Вряд ли растение под влиянием nif-генов может так кардинально изменить свой метаболизм, чтобы создать все эти условия. Хотя не исключено, что в будущем методами генетической инженерии можно будет создать более экономно работающий нитрогеназный комплекс.

Задачи биотехнологии по этой проблеме можно разделить на три. Первая из них - попытаться так изменить свойства азотфиксирующих бактерий, чтобы они могли жить не только на бобовых, но и на других хозяйственно полезных растениях, например злаках. Другой подход к этой же задаче - увеличить эффективность азоспирилл, снабжающих связанным азотом злаки. Вторая задача биотехнологии состоит в том, чтобы изменить сами растения - сделать их способными вступать в симбиоз с азотфиксирующими бактериями. Для этого, очевидно, необходимо найти те гены бобовых растений, которые за такой симбиоз ответственны, и попытаться ввести их в другие растения, например пшеницу. И наконец, третьей, самой фантастичной, но и самой смелой задачей было бы введение генов азотфиксации в геном растений, т. е. превратить их в организмы, независимые от внешних источников азота. Пути введения генов в клетки растений уже известны, но ввести такой большой комплекс, как гены азотфиксации, и, главное, добиться их экспрессии - задача очень трудная.

Решение этой последней задачи кажется пока мало реальным, ведь не случайно до сих пор в природе такого переноса генов из бактерий в растения не произошло и своего механизма фиксации азота у них не возникло, хотя выгодность этого для растения кажется очевидной. Вероятно, сам процесс фиксации азота настолько отличается от других процессов обмена, что его введение потребовало бы перестройки всей системы биохимических процессов в растении.