Istraživači su pokazali da se genetski strojevi odgovorni za biološku fiksaciju dušika mogu prenijeti u nove sojeve bakterija, pružajući jasnije razumijevanje o tome kako se ova ključna poljoprivredna osobina širi u prirodi i potencijalno otvara nove puteve za smanjenje oslanjanja poljoprivrede na sintetička dušična gnojiva.
Nalazi, objavljeni uCurrent Biology28. svibnja usredotočite se na divlje rhizobia-bakterije tla koje tvore simbiotske odnose s usjevima mahunarki kao što su grašak i grah. Ove bakterije pretvaraju atmosferski dušik u oblike koje biljke mogu koristiti, omogućujući mahunarkama da rastu s malo ili bez vanjskog dušičnog gnojiva. Znanstvenici kažu da studija baca svjetlo na to kako geni koji upravljaju ovom simbiozom mogu biti stečeni od strane bakterijskih linija koje prije nisu imale tu sposobnost, što je ključni korak prema proširenju biološke fiksacije dušika na druge usjeve.
Razumijevanje genetske osnove simbioze
Studija, koju su vodili Angeliqua P. Montoya i kolege, ispitala je evolucijsku genomiku novonastalih endosimbiotskih odnosa u divljim rizobijama. Prateći kako se geni za-fiksiranje dušika kreću između bakterijskih populacija, istraživači su uspjeli identificirati genetske putove koji omogućuju bakterijama da uspostave uspješna partnerstva s biljkama.
Fiksacija dušika u mahunarkama ovisi o specijaliziranim korijenskim čvorovima, gdje rizobije primaju ugljikohidrate od biljke domaćina u zamjenu za biološki fiksirani dušik. Dok se ovaj odnos prirodno razvijao milijunima godina, znanstvenici su dugo tražili načine za repliciranje sličnih sustava u usjevima koji nisu-mahunarke.
Istraživanje pruža nove dokaze da se genetske osobine potrebne za simbiozu mogu širiti među bakterijskim linijama, što sugerira da bi evolucija partnerstava vezanih-za dušik mogla biti fleksibilnija nego što se dosad mislilo. Takva bi otkrića mogla pomoći istraživačima u identificiranju genetskih preduvjeta potrebnih za uspostavljanje sličnih odnosa u bakterijama povezanim s usjevima žitarica.
Zašto je napredak važan za tržišta gnojiva
Značenje biološke fiksacije dušika proteže se daleko izvan biologije biljaka. Većina glavnih svjetskih usjeva-uključujući pšenicu, kukuruz i rižu-ne može vezati atmosferski dušik i stoga uvelike ovisi o dušičnim gnojivima proizvedenim kroz Haber-Bosch proces.
Proizvodnja amonijaka, temelja dušičnih gnojiva, jedan je od energetski-najintenzivnijih industrijskih procesa na globalnoj razini i ostaje visoko izložena troškovima prirodnog plina, geopolitičkim poremećajima i trgovinskim ograničenjima. Nedavna volatilnost na tržištima gnojiva, uključujući zabrinutosti oko opskrbe povezane s brodskim rutama na Bliskom istoku i kontrole izvoza iz velikih zemalja proizvođača, obnovila je interes za tehnologije koje bi mogle smanjiti ovisnost o sintetičkom dušiku.
Kad bi usjevi žitarica mogli dobiti značajan udio svojih potreba za dušikom biološkom fiksacijom, dugoročne-implikacije na potražnju za gnojivima mogle bi biti znatne. Iako je takav prijelaz još dalek, privukao je značajna ulaganja poljoprivrednih biotehnoloških tvrtki, razvojnih bioloških inputa i velikih dobavljača-hranjivih tvari koji traže održivija rješenja za-upravljanje hranjivim tvarima.
Nadovezujući se na prethodni napredak
Nova studija pridodaje sve većem broju istraživanja usmjerenih na razumijevanje molekularnih mehanizama koji upravljaju simbiozom bilj-mikroba. Ranija istraživanja identificirala su specifične biljne proteine, signalne putove i odgovore posredovane-kalcijem koji određuju prihvaćaju li biljke ili odbijaju-fiksirajuće dušik bakterije.
Istraživači su već pokazali dokaz-o-modifikacijama koncepta u modelnim biljkama i nekim vrstama žitarica, uključujući ječam, pokazujući da se komponentama simbiotske signalne mreže može manipulirati. Međutim, postizanje pouzdane i ekonomski značajne fiksacije dušika u glavnim usjevima žitarica ostaje jedan od najambicioznijih ciljeva u poljoprivrednoj znanosti.
Nalazi Current Biology pružaju komplementarnu perspektivu usredotočujući se na mikrobnu stranu odnosa, otkrivajući kako se sposobnosti-fiksiranja dušika pojavljuju i šire među bakterijskim populacijama u prirodnim okruženjima.
Komercijalna implementacija ostaje godinama daleko
Unatoč znanstvenom napretku, istraživači upozoravaju da praktična poljoprivredna primjena ostaje dugoročan cilj-. Dokazivanje prijenosa gena i simbiotske sposobnosti u divljim bakterijskim sustavima predstavlja važnu znanstvenu prekretnicu, ali ostaju značajni izazovi prije nego što se takva otkrića mogu pretočiti u komercijalne proizvode.
Sektor bioloških gnojiva privukao je znatan rizični kapital i korporativna ulaganja tijekom proteklog desetljeća, no industrija je također doživjela nazadovanje jer se tvrtke bore da dosljedno reproduciraju laboratorijske rezultate u uvjetima na terenu. Postizanje stabilne kolonizacije, dovoljnih stopa fiksacije dušika i ekonomskih povrata za uzgajivače ostaje složen izazov.
Kao rezultat toga, malo je vjerojatno da će najnovija otkrića imati neposredni utjecaj na potražnju za gnojivima. Umjesto toga, oni pridonose rastućoj znanstvenoj osnovi koja bi na kraju mogla podržati razvoj sljedeće-generacije mikrobnih tehnologija dizajniranih da dopune ili djelomično zamijene primjene sintetičkog dušika.
Sljedeći koraci za istraživače
Sljedeća faza istraživanja usredotočit će se na to mogu li se genetski mehanizmi identificirani u divljoj rizobiji uvesti u bakterijske vrste koje se prirodno povezuju s korijenjem žitarica. Znanstvenici zatim moraju utvrditi mogu li te projektirane mikrobne zajednice osigurati dovoljno biološki vezanog dušika za postizanje mjerljivih agronomskih koristi u uvjetima komercijalnog uzgoja.
Uspjeh bi predstavljao veliki pomak u ishrani usjeva, potencijalno dopuštajući poljoprivrednicima da smanje upotrebu gnojiva uz zadržavanje prinosa. Za sada, međutim, posao ostaje rani, ali značajan korak prema jednom od najtraženijih-ciljeva poljoprivrede: omogućavanje velikim usjevima žitarica da pristupe dušiku kroz biološka partnerstva, umjesto da se u potpunosti oslanjaju na proizvedena gnojiva.
