Istraživači su pokazali da se genetska mašinerija odgovorna za biološku fiksaciju dušika može prenijeti u nove sojeve bakterija, pružajući jasnije razumijevanje kako se ova ključna poljoprivredna osobina širi u prirodi i potencijalno otvarajući nove puteve za smanjenje oslanjanja poljoprivrede na sintetička dušična gnojiva.
Nalazi, objavljeni uCurrent Biology28. maja, fokusirajte se na divlje rizobije-bakterije u tlu koje formiraju simbiotske odnose sa mahunarkama kao što su grašak i pasulj. Ove bakterije pretvaraju atmosferski dušik u oblike koje biljke mogu koristiti, omogućavajući mahunarkama da rastu uz malo ili nimalo vanjskog dušičnog gnojiva. Naučnici kažu da studija baca svjetlo na to kako geni koji upravljaju ovom simbiozom mogu biti stečeni od strane bakterijskih linija koje ranije nisu imale tu sposobnost, što je ključni korak ka 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 rizobijima. Prateći kako se geni za{2}}fiksiranje dušika kreću između bakterijskih populacija, istraživači su uspjeli identificirati genetske puteve koji omogućavaju bakterijama da uspostave uspješna partnerstva s biljkama.
Fiksacija dušika u mahunarkama ovisi o specijaliziranim korijenskim čvorićima, gdje rizobija prima ugljikohidrate iz biljke domaćina u zamjenu za biološki fiksiran dušik. Iako je ovaj odnos prirodno evoluirao milionima godina, naučnici su dugo tražili načine da repliciraju slične sisteme u usjevima koji nisu -mahunarke.
Istraživanje pruža nove dokaze da se genetske osobine potrebne za simbiozu mogu širiti kroz bakterijske loze, što sugerira da bi evolucija partnerstava za{0}}fiksiranje dušika mogla biti fleksibilnija nego što se ranije razumjelo. Takva otkrića mogu pomoći istraživačima da identifikuju genetske preduslove potrebne za uspostavljanje sličnih odnosa kod bakterija povezanih sa žitaricama.
Zašto je proboj važan za tržišta đubriva
Značaj biološke fiksacije dušika proteže se daleko izvan biljne biologije. Većina glavnih svjetskih usjeva-uključujući pšenicu, kukuruz i pirinač-ne mogu fiksirati atmosferski azot i stoga u velikoj mjeri zavise od azotnih đubriva proizvedenih Haber-Bosch procesom.
Proizvodnja amonijaka, osnova azotnih đubriva, jedan je od energetski{0}}najintenzivnijih industrijskih procesa na globalnom nivou i ostaje veoma izložena troškovima prirodnog gasa, geopolitičkim poremećajima i trgovinskim ograničenjima. Nedavna nestabilnost na tržištima đubriva, uključujući zabrinutost u vezi sa snabdevanjem vezanom za bliskoistočne transportne rute i kontrolu izvoza iz glavnih zemalja proizvođača, obnovila je interesovanje za tehnologije koje bi mogle da smanje zavisnost od sintetičkog azota.
Ako bi usjevi žitarica mogli dobiti značajan dio svojih potreba za azotom putem biološke fiksacije, dugoročne-implikacije na potražnju đubriva mogle bi biti značajne. Iako je takva tranzicija i dalje daleka, privukla je značajna ulaganja poljoprivrednih biotehnoloških kompanija, razvijača bioloških inputa i glavnih dobavljača-hranljivih materija koji traže održivija rješenja-upravljanja nutrijentima.
Nadovezujući se na prethodni napredak
Nova studija nadovezuje se na sve veći broj istraživanja usmjerenih na razumijevanje molekularnih mehanizama koji upravljaju simbiozom biljnih{0}}mikroba. Ranija istraživanja su identifikovala specifične biljne proteine, signalne puteve i kalcijum{2}posredovane odgovore koji određuju da li biljke prihvataju ili odbijaju bakterije koje-fiksiraju dušik.
Istraživači su već demonstrirali dokaz-modifikacije-koncepta u modelnim biljkama i nekim vrstama žitarica, uključujući ječam, pokazujući da se komponentama simbiotske signalne mreže može manipulirati. Međutim, postizanje pouzdane i ekonomski smislene fiksacije dušika u glavnim usjevima žitarica ostaje jedan od najambicioznijih ciljeva u poljoprivrednoj nauci.
Nalazi Current Biology pružaju komplementarnu perspektivu fokusirajući se na mikrobnu stranu odnosa, otkrivajući kako se pojavljuju i šire sposobnosti fiksiranja dušika{0}} među populacijama bakterija u prirodnom okruženju.
Komercijalna implementacija ostaje godinama
Uprkos naučnom napretku, istraživači upozoravaju da praktične poljoprivredne primjene ostaju-dugoročni cilj. Demonstriranje prijenosa gena i simbiotske sposobnosti u divljim bakterijskim sistemima predstavlja važnu naučnu prekretnicu, ali ostaju značajni izazovi prije nego što se takva otkrića mogu prevesti u komercijalne proizvode.
Sektor bioloških đubriva je privukao značajan rizični kapital i korporativna ulaganja u protekloj deceniji, ali je industrija takođe iskusila zastoje jer se kompanije bore da dosledno reprodukuju laboratorijske rezultate u terenskim uslovima. Postizanje stabilne kolonizacije, dovoljnih stopa fiksacije dušika i ekonomskog povrata za uzgajivače ostaje složen izazov.
Kao rezultat toga, malo je vjerovatno da će najnovija otkrića imati neposredan utjecaj na potražnju gnojiva. Umjesto toga, oni doprinose rastućoj naučnoj osnovi koja bi na kraju mogla podržati razvoj mikrobnih tehnologija sljedeće{1}}generacije dizajnirane da dopune ili djelimično zamijene primjene sintetičkog azota.
Sljedeći koraci za istraživače
Sljedeća faza istraživanja će se fokusirati na to da li se genetski mehanizmi identificirani u divljoj rizobiji mogu uvesti u bakterijske vrste koje se prirodno povezuju s korijenjem žitarica. Naučnici tada moraju utvrditi da li ove konstruirane mikrobne zajednice mogu obezbijediti dovoljno biološki fiksiranog azota za isporuku mjerljivih agronomskih koristi u komercijalnim poljoprivrednim uslovima.
Uspjeh bi predstavljao veliku promjenu u ishrani usjeva, potencijalno omogućavajući poljoprivrednicima da smanje upotrebu gnojiva uz održavanje prinosa. Za sada, međutim, posao ostaje rani, ali značajan korak ka jednom od najtraženijih-ciljeva poljoprivrede: omogućavanje velikim usjevima žitarica da pristupe dušiku kroz biološka partnerstva umjesto da se u potpunosti oslanjaju na proizvedena gnojiva.
