Οι ερευνητές απέδειξαν ότι ο γενετικός μηχανισμός που είναι υπεύθυνος για τη βιολογική δέσμευση αζώτου μπορεί να μεταφερθεί σε νέα στελέχη βακτηρίων, παρέχοντας μια σαφέστερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτό το κρίσιμο γεωργικό χαρακτηριστικό εξαπλώνεται στη φύση και ενδεχομένως ανοίγοντας νέους δρόμους για τη μείωση της εξάρτησης της γεωργίας από τα συνθετικά λιπάσματα αζώτου.
Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στοΤρέχουσα Βιολογίαστις 28 Μαΐου, εστιάστε στα άγρια ριζόβια-βακτήρια του εδάφους που σχηματίζουν συμβιωτικές σχέσεις με καλλιέργειες ψυχανθών όπως τα μπιζέλια και τα φασόλια. Αυτά τα βακτήρια μετατρέπουν το ατμοσφαιρικό άζωτο σε μορφές που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα φυτά, επιτρέποντας στα όσπρια να αναπτυχθούν με ελάχιστο ή καθόλου εξωτερικό λίπασμα αζώτου. Οι επιστήμονες λένε ότι η μελέτη ρίχνει φως στο πώς τα γονίδια που διέπουν αυτή τη συμβίωση μπορούν να αποκτηθούν από βακτηριακές γενεαλογίες που προηγουμένως δεν είχαν την ικανότητα, ένα βασικό βήμα προς την επέκταση της βιολογικής δέσμευσης αζώτου σε άλλες καλλιέργειες.
Κατανόηση της γενετικής βάσης της συμβίωσης
Η μελέτη, με επικεφαλής την Angeliqua P. Montoya και τους συνεργάτες της, εξέτασε την εξελικτική γονιδιωματική των νεοεμφανιζόμενων ενδοσυμβιωτικών σχέσεων στην άγρια ριζόβια. Παρακολουθώντας πώς τα γονίδια αζώτου{2}}καθορίζουν κινούνται μεταξύ βακτηριακών πληθυσμών, οι ερευνητές μπόρεσαν να εντοπίσουν γενετικές οδούς που επιτρέπουν στα βακτήρια να δημιουργήσουν επιτυχημένες συνεργασίες με τα φυτά.
Η δέσμευση αζώτου στα όσπρια εξαρτάται από εξειδικευμένους όζους ρίζας, όπου η ριζόβια δέχεται υδατάνθρακες από το φυτό ξενιστή σε αντάλλαγμα για βιολογικά σταθερό άζωτο. Ενώ αυτή η σχέση έχει εξελιχθεί φυσικά για εκατομμύρια χρόνια, οι επιστήμονες αναζητούν εδώ και καιρό τρόπους να αναπαράγουν παρόμοια συστήματα σε καλλιέργειες εκτός οσπρίων.
Η έρευνα παρέχει νέα στοιχεία ότι τα γενετικά χαρακτηριστικά που απαιτούνται για τη συμβίωση μπορούν να εξαπλωθούν σε βακτηριακές γενεές, υποδεικνύοντας ότι η εξέλιξη των συνεργασιών διόρθωσης αζώτου-μπορεί να είναι πιο ευέλικτη από ό,τι είχε προηγουμένως κατανοηθεί. Τέτοια ευρήματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να εντοπίσουν τις γενετικές προϋποθέσεις που απαιτούνται για τη δημιουργία παρόμοιων σχέσεων σε βακτήρια που σχετίζονται με καλλιέργειες δημητριακών.
Γιατί η σημαντική ανακάλυψη έχει σημασία για τις αγορές λιπασμάτων
Η σημασία της βιολογικής δέσμευσης αζώτου εκτείνεται πολύ πέρα από τη φυτική βιολογία. Οι περισσότερες από τις κύριες βασικές καλλιέργειες του κόσμου-συμπεριλαμβανομένου του σιταριού, του καλαμποκιού και του ρυζιού-δεν μπορούν να καθορίσουν το ατμοσφαιρικό άζωτο και επομένως εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από αζωτούχα λιπάσματα που παράγονται μέσω της διαδικασίας Haber-Bosch.
Η παραγωγή αμμωνίας, το θεμέλιο των αζωτούχων λιπασμάτων, είναι μια από τις πιο ενεργειακά-εντατικές βιομηχανικές διεργασίες παγκοσμίως και παραμένει εξαιρετικά εκτεθειμένη στο κόστος του φυσικού αερίου, στις γεωπολιτικές διαταραχές και στους εμπορικούς περιορισμούς. Η πρόσφατη αστάθεια στις αγορές λιπασμάτων, συμπεριλαμβανομένων των ανησυχιών για την προσφορά που συνδέονται με τις ναυτιλιακές διαδρομές της Μέσης Ανατολής και των ελέγχων των εξαγωγών από τις μεγάλες χώρες παραγωγής, έχει ανανεώσει το ενδιαφέρον για τεχνολογίες που θα μπορούσαν να μειώσουν την εξάρτηση από το συνθετικό άζωτο.
Εάν οι καλλιέργειες δημητριακών μπορούσαν να λάβουν σημαντικό μερίδιο των αναγκών τους σε άζωτο μέσω βιολογικής στερέωσης, οι μακροπρόθεσμες επιπτώσεις για τη ζήτηση λιπασμάτων θα μπορούσαν να είναι σημαντικές. Ενώ μια τέτοια μετάβαση παραμένει μακρινή, έχει προσελκύσει σημαντικές επενδύσεις από εταιρείες γεωργικής βιοτεχνολογίας, προγραμματιστές βιολογικών εισροών και σημαντικούς{2}}προμηθευτές θρεπτικών ουσιών καλλιεργειών που αναζητούν πιο βιώσιμες λύσεις διαχείρισης θρεπτικών ουσιών{{3}.
Με βάση τις προηγούμενες προόδους
Η νέα μελέτη προστίθεται σε έναν αυξανόμενο όγκο έρευνας που στοχεύει στην κατανόηση των μοριακών μηχανισμών που διέπουν τη συμβίωση των μικροβίων των φυτών-. Προηγούμενες έρευνες εντόπισαν συγκεκριμένες φυτικές πρωτεΐνες, μονοπάτια σηματοδότησης και αποκρίσεις με μεσολάβηση ασβεστίου-που καθορίζουν εάν τα φυτά δέχονται ή απορρίπτουν τα βακτήρια που δεσμεύουν το άζωτο-.
Οι ερευνητές έχουν ήδη επιδείξει αποδείξεις-των-τροποποιήσεων εννοιών σε μοντέλα φυτών και ορισμένα είδη δημητριακών, συμπεριλαμβανομένου του κριθαριού, που δείχνουν ότι τα στοιχεία του συμβιωτικού δικτύου σηματοδότησης μπορούν να χειριστούν. Ωστόσο, η επίτευξη αξιόπιστης και οικονομικά σημαντικής δέσμευσης αζώτου σε μεγάλες καλλιέργειες σιτηρών παραμένει ένας από τους πιο φιλόδοξους στόχους στη γεωργική επιστήμη.
Τα ευρήματα της τρέχουσας βιολογίας παρέχουν μια συμπληρωματική προοπτική εστιάζοντας στη μικροβιακή πλευρά της σχέσης, αποκαλύπτοντας πώς αναδύονται και εξαπλώνονται οι ικανότητες δέσμευσης του αζώτου- μεταξύ των βακτηριακών πληθυσμών σε φυσικά περιβάλλοντα.
Η εμπορική ανάπτυξη παραμένει χρόνια μακριά
Παρά την επιστημονική πρόοδο, οι ερευνητές προειδοποιούν ότι οι πρακτικές γεωργικές εφαρμογές παραμένουν μακροπρόθεσμος-στόχος. Η επίδειξη μεταφοράς γονιδίων και συμβιωτικής ικανότητας σε άγρια βακτηριακά συστήματα αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό επιστημονικό ορόσημο, αλλά παραμένουν σημαντικές προκλήσεις προτού μεταφραστούν τέτοιες ανακαλύψεις σε εμπορικά προϊόντα.
Ο τομέας των βιολογικών λιπασμάτων έχει προσελκύσει σημαντικά επιχειρηματικά κεφάλαια και εταιρικές επενδύσεις την τελευταία δεκαετία, ωστόσο ο κλάδος έχει επίσης υποχωρήσει καθώς οι εταιρείες αγωνίζονται να αναπαράγουν σταθερά εργαστηριακά αποτελέσματα υπό συνθήκες πεδίου. Η επίτευξη σταθερού αποικισμού, επαρκών ποσοστών δέσμευσης αζώτου και οικονομικών αποδόσεων για τους καλλιεργητές παραμένει μια πολύπλοκη πρόκληση.
Ως αποτέλεσμα, τα τελευταία ευρήματα είναι απίθανο να έχουν άμεσο αντίκτυπο στη ζήτηση λιπασμάτων. Αντίθετα, συμβάλλουν σε μια αυξανόμενη επιστημονική βάση που θα μπορούσε τελικά να υποστηρίξει την ανάπτυξη μικροβιακών τεχνολογιών επόμενης{{1}γενιάς που έχουν σχεδιαστεί για να συμπληρώνουν ή να αντικαθιστούν εν μέρει εφαρμογές συνθετικού αζώτου.
Επόμενα βήματα για τους ερευνητές
Η επόμενη φάση της έρευνας θα επικεντρωθεί στο εάν οι γενετικοί μηχανισμοί που εντοπίζονται στην άγρια ριζόβια μπορούν να εισαχθούν σε βακτηριακά είδη που συνδέονται φυσικά με τις ρίζες των καλλιεργειών δημητριακών. Οι επιστήμονες πρέπει στη συνέχεια να προσδιορίσουν εάν αυτές οι κατασκευασμένες μικροβιακές κοινότητες μπορούν να παρέχουν αρκετό βιολογικά σταθερό άζωτο για να προσφέρουν μετρήσιμα αγρονομικά οφέλη υπό συνθήκες εμπορικής καλλιέργειας.
Η επιτυχία θα αντιπροσώπευε μια σημαντική αλλαγή στη διατροφή των καλλιεργειών, επιτρέποντας δυνητικά στους αγρότες να μειώσουν τη χρήση λιπασμάτων διατηρώντας παράλληλα τις αποδόσεις. Προς το παρόν, ωστόσο, το έργο παραμένει ένα πρώιμο αλλά αξιοσημείωτο βήμα προς έναν από τους πιο περιζήτητους-στόχους της γεωργίας: να επιτραπεί στις μεγάλες καλλιέργειες δημητριακών να έχουν πρόσβαση σε άζωτο μέσω βιολογικών συνεργασιών αντί να βασίζονται αποκλειστικά σε βιομηχανικά λιπάσματα.
