Naukowcy wykazali, że maszynerię genetyczną odpowiedzialną za biologiczne wiązanie azotu można przenieść do nowych szczepów bakterii, co pozwala lepiej zrozumieć, w jaki sposób ta kluczowa cecha rolnicza rozprzestrzenia się w przyrodzie i potencjalnie otwiera nowe możliwości ograniczenia zależności rolnictwa od syntetycznych nawozów azotowych.
Wyniki opublikowane wAktualna biologia28 maja skoncentruj się na dzikich ryzobiach-bakteriach glebowych, które tworzą symbiotyczne relacje z roślinami strączkowymi, takimi jak groszek i fasola. Bakterie te przekształcają azot atmosferyczny w formy, z których mogą korzystać rośliny, umożliwiając wzrost roślin strączkowych przy niewielkiej ilości zewnętrznego nawozu azotowego lub bez niego. Naukowcy twierdzą, że badanie rzuca światło na sposób, w jaki geny rządzące tą symbiozą mogą zostać nabyte przez linie bakteryjne, którym wcześniej brakowało takich możliwości, co stanowi kluczowy krok w kierunku rozszerzenia biologicznego wiązania azotu na inne rośliny uprawne.
Zrozumienie genetycznych podstaw symbiozy
W badaniu kierowanym przez Angeliqua P. Montoya i współpracowników zbadano genomikę ewolucyjną nowo pojawiających się relacji endosymbiotycznych u dzikich ryzobii. Śledząc sposób, w jaki geny wiążące azot-przemieszczają się pomiędzy populacjami bakterii, badaczom udało się zidentyfikować szlaki genetyczne umożliwiające bakteriom nawiązanie udanego partnerstwa z roślinami.
Wiązanie azotu w roślinach strączkowych zależy od wyspecjalizowanych brodawek korzeniowych, w których ryzobia otrzymują węglowodany od rośliny żywicielskiej w zamian za biologicznie związany azot. Chociaż ta zależność ewoluowała naturalnie przez miliony lat, naukowcy od dawna poszukiwali sposobów na odtworzenie podobnych systemów w-uprawach innych niż rośliny strączkowe.
Badanie dostarcza nowych dowodów na to, że cechy genetyczne wymagane do symbiozy mogą rozprzestrzeniać się w różnych liniach bakteryjnych, co sugeruje, że ewolucja związków wiążących azot-może być bardziej elastyczna, niż wcześniej sądzono. Takie odkrycia mogą pomóc naukowcom w określeniu genetycznych warunków niezbędnych do ustalenia podobnych zależności u bakterii występujących w uprawach zbóż.
Dlaczego przełom ma znaczenie dla rynków nawozów?
Znaczenie biologicznego wiązania azotu wykracza daleko poza biologię roślin. Większość głównych upraw podstawowych na świecie,-w tym pszenica, kukurydza i ryż,-nie jest w stanie wiązać azotu atmosferycznego i dlatego jest w dużym stopniu uzależniona od nawozów azotowych wytwarzanych w procesie Habera-Boscha.
Produkcja amoniaku, będącego podstawą nawozów azotowych, jest jednym z najbardziej energochłonnych-procesów przemysłowych na świecie i jest w dużym stopniu narażona na koszty gazu ziemnego, zakłócenia geopolityczne i ograniczenia w handlu. Niedawna niestabilność na rynkach nawozów, w tym problemy z dostawami związane ze szlakami żeglugowymi na Bliskim Wschodzie i kontrolą eksportu z głównych krajów produkujących, ponownie wzbudziły zainteresowanie technologiami, które mogłyby zmniejszyć zależność od syntetycznego azotu.
Jeśli uprawy zbóż mogłyby pokryć znaczną część swojego zapotrzebowania na azot poprzez biologiczne wiązanie, długoterminowe-skutki dla zapotrzebowania na nawozy mogłyby być znaczne. Chociaż takie przejście jest jeszcze odległe, przyciągnęło znaczne inwestycje ze strony firm zajmujących się biotechnologią rolniczą, twórców środków biologicznych i głównych dostawców-składników odżywczych dla upraw, poszukujących bardziej zrównoważonych rozwiązań w zakresie-zarządzania składnikami odżywczymi.
Opierając się na wcześniejszych osiągnięciach
Nowe badanie stanowi uzupełnienie rosnącej liczby badań mających na celu zrozumienie mechanizmów molekularnych rządzących symbiozą-roślinnych drobnoustrojów. Wcześniejsze badania zidentyfikowały specyficzne białka roślinne, szlaki sygnałowe i reakcje, w których pośredniczy wapń,-które określają, czy rośliny akceptują, czy odrzucają bakterie-wiążące azot.
Naukowcy przedstawili już dowód--modyfikacji koncepcji w modelowych roślinach i niektórych gatunkach zbóż, w tym jęczmieniu, pokazując, że można manipulować składnikami symbiotycznej sieci sygnalizacyjnej. Jednakże osiągnięcie niezawodnego i ekonomicznie sensownego wiązania azotu w głównych uprawach zbóż pozostaje jednym z najbardziej ambitnych celów nauk rolniczych.
Odkrycia projektu Current Biology zapewniają uzupełniającą perspektywę, skupiając się na mikrobiologicznej stronie związku, ujawniając, w jaki sposób pojawiają się i rozprzestrzeniają zdolności wiązania azotu wśród populacji bakterii w środowiskach naturalnych.
Komercyjne wdrożenie zajmie wiele lat
Pomimo postępu naukowego badacze ostrzegają, że praktyczne zastosowania w rolnictwie pozostają-celem długoterminowym. Wykazanie transferu genów i zdolności symbiotycznych w dzikich układach bakteryjnych stanowi ważny kamień milowy w nauce, ale zanim takie odkrycia będą mogły zostać przełożone na produkty komercyjne, pozostają poważne wyzwania.
W ciągu ostatniej dekady sektor nawozów biologicznych przyciągnął znaczne inwestycje kapitału wysokiego ryzyka i przedsiębiorstw, jednak branża doświadczyła również niepowodzeń, ponieważ firmy miały trudności z konsekwentnym odtwarzaniem wyników laboratoryjnych w warunkach terenowych. Osiągnięcie stabilnej kolonizacji, wystarczającego stopnia wiązania azotu i zysków ekonomicznych dla hodowców pozostaje złożonym wyzwaniem.
W rezultacie jest mało prawdopodobne, aby najnowsze ustalenia miały bezpośredni wpływ na popyt na nawozy. Zamiast tego wnoszą wkład w rosnącą podstawę naukową, która może ostatecznie wesprzeć rozwój technologii mikrobiologicznych nowej-generacji, zaprojektowanych w celu uzupełnienia lub częściowego zastąpienia zastosowań syntetycznego azotu.
Kolejne kroki dla badaczy
Kolejna faza badań skupi się na tym, czy mechanizmy genetyczne zidentyfikowane u dzikich ryzobii można wprowadzić do gatunków bakterii, które w naturalny sposób łączą się z korzeniami roślin zbożowych. Naukowcy muszą następnie ustalić, czy te zmodyfikowane zbiorowiska drobnoustrojów są w stanie zapewnić wystarczającą ilość biologicznie związanego azotu, aby zapewnić wymierne korzyści agronomiczne w warunkach rolnictwa komercyjnego.
Sukces oznaczałby poważną zmianę w odżywianiu upraw, potencjalnie umożliwiając rolnikom zmniejszenie zużycia nawozów przy jednoczesnym utrzymaniu plonów. Na razie jednak prace te stanowią wczesny, ale zauważalny krok w kierunku jednego z najbardziej poszukiwanych- celów rolnictwa: umożliwienia głównym uprawom zbóż dostępu do azotu poprzez partnerstwa biologiczne, zamiast polegać wyłącznie na produkowanych nawozach.
