Tutkijat ovat osoittaneet, että biologisesta typen sitomisesta vastaava geneettinen koneisto voidaan siirtää uusiin bakteerikantoihin, mikä antaa selkeämmän käsityksen siitä, kuinka tämä tärkeä maatalouden ominaisuus leviää luonnossa, ja mahdollisesti avaa uusia mahdollisuuksia vähentää maatalouden riippuvuutta synteettisistä typpilannoitteista.
Löydökset, julkaistu vuonnaNykyinen biologia28. toukokuuta keskitytään luonnonvaraisiin rhizobia{1}}maaperän bakteereihin, jotka muodostavat symbioottisen suhteen palkokasvien, kuten herneiden ja papujen, kanssa. Nämä bakteerit muuttavat ilmakehän typen muodoiksi, joita kasvit voivat käyttää, jolloin palkokasvit voivat kasvaa vähäisellä ulkoisella typpilannoitteella tai ilman sitä. Tutkijat sanovat, että tutkimus valaisee sitä, kuinka tätä symbioosia hallitsevat geenit voivat hankkia bakteerilinjat, joilla ei aiemmin ollut kykyä, mikä on keskeinen askel kohti biologisen typen sitoutumisen laajentamista muihin viljelykasveihin.
Symbioosin geneettisen perustan ymmärtäminen
Angeliqua P. Montoyan ja kollegoiden johtamassa tutkimuksessa tutkittiin vastasyntyneiden endosymbioottisten suhteiden evoluutiogenomiikkaa luonnonvaraisessa rhizobiassa. Seuraamalla, kuinka typpeä{2}}kiinnittävät geenit liikkuvat bakteeripopulaatioiden välillä, tutkijat pystyivät tunnistamaan geneettisiä reittejä, joiden avulla bakteerit voivat luoda onnistuneita kumppanuuksia kasvien kanssa.
Typen sitoutuminen palkokasveissa riippuu erikoistuneista juurikyhmyistä, joissa risobit saavat isäntäkasvilta hiilihydraatteja vastineeksi biologisesti kiinnitetystä typestä. Vaikka tämä suhde on kehittynyt luonnollisesti miljoonien vuosien aikana, tiedemiehet ovat pitkään etsineet tapoja jäljitellä samanlaisia järjestelmiä muissa kuin-palkokasveissa.
Tutkimus tarjoaa uutta näyttöä siitä, että symbioosin edellyttämät geneettiset ominaisuudet voivat levitä bakteerisukujen välillä, mikä viittaa siihen, että typpeä{0}}sidovien kumppanuuksien kehitys voi olla joustavampaa kuin aiemmin on ymmärretty. Tällaiset havainnot voivat auttaa tutkijoita tunnistamaan geneettiset edellytykset, joita tarvitaan samanlaisten suhteiden luomiseen viljakasveihin liittyvissä bakteereissa.
Miksi läpimurto on tärkeä lannoitemarkkinoille
Biologisen typen sitoutumisen merkitys ulottuu paljon kasvibiologian ulkopuolelle. Suurin osa maailman tärkeimmistä peruskasveista-mukaan lukien vehnä, maissi ja riisi-eivät pysty sitomaan ilmakehän typpeä ja ovat siksi erittäin riippuvaisia Haber-Boschin prosessilla tuotetuista typpilannoitteista.
Ammoniakin, typpilannoitteiden perustan, valmistus on yksi energiaintensiivisimmista teollisista prosesseista maailmanlaajuisesti, ja se on edelleen erittäin alttiina maakaasukustannuksille, geopoliittisille häiriöille ja kaupan rajoituksille. Lannoitemarkkinoiden viimeaikainen epävakaus, mukaan lukien Lähi-idän laivareitteihin ja suurten tuottajamaiden viennin valvontaan liittyvät toimitusongelmat, on lisännyt kiinnostusta teknologioihin, jotka voivat vähentää riippuvuutta synteettisestä typestä.
Jos viljakasvit saisivat merkittävän osan typentarpeestaan biologisen sitoutumisen kautta,{0}}pitkän aikavälin vaikutukset lannoitteiden kysyntään voivat olla huomattavia. Vaikka tällainen siirtymä on edelleen kaukana, se on houkutellut merkittäviä investointeja maatalouden bioteknologian yrityksiltä, biologisten panosten kehittäjiltä ja tärkeimmiltä sato{2}}ravinteiden toimittajilta, jotka etsivät kestävämpiä ravinteiden-hallintaratkaisuja.
Aiempien edistysten pohjalta
Uusi tutkimus lisää kasvavaan joukkoon tutkimusta, jonka tavoitteena on ymmärtää kasvien{0}}mikrobisymbioosia ohjaavia molekyylimekanismeja. Aiemmissa tutkimuksissa on tunnistettu tiettyjä kasviproteiineja, signalointireittejä ja kalsium-välitteisiä vasteita, jotka määrittävät, hyväksyvätkö kasvit vai hylkäävätkö kasvit typpeä- sitovia bakteereja.
Tutkijat ovat jo osoittaneet todisteita--käsitteen muutoksista mallikasveissa ja joissakin viljalajeissa, mukaan lukien ohrassa, mikä osoittaa, että symbioottisen signaaliverkon komponentteja voidaan manipuloida. Luotettavan ja taloudellisesti järkevän typen sitomisen saavuttaminen tärkeimmissä viljakasveissa on kuitenkin edelleen yksi maataloustieteen kunnianhimoisimmista tavoitteista.
Current Biology -löydöt tarjoavat täydentävän näkökulman keskittymällä suhteen mikrobipuoleen ja paljastaen, kuinka typen{0}}sidontakyky syntyy ja leviää bakteeripopulaatioiden kesken luonnollisissa ympäristöissä.
Kaupallinen käyttöönotto on vielä vuosien päässä
Tieteen edistymisestä huolimatta tutkijat varoittavat, että käytännön maatalouden sovellukset säilyvät{0}}pitkän aikavälin tavoitteena. Geenisiirron ja symbioottisen kyvyn osoittaminen luonnonvaraisissa bakteerijärjestelmissä on tärkeä tieteellinen virstanpylväs, mutta merkittäviä haasteita on jäljellä ennen kuin tällaiset löydöt voidaan muuntaa kaupallisiksi tuotteiksi.
Biologisten lannoitteiden sektori on houkutellut merkittäviä riskipääomaa ja yrityssijoituksia viimeisen vuosikymmenen aikana, mutta ala on myös kokenut takaiskuja, kun yritykset kamppailevat jatkuvasti toistaakseen laboratoriotuloksia kenttäolosuhteissa. Vakaan kolonisaation, riittävän typen sitoutumisasteen ja viljelijöiden taloudellisen tuoton saavuttaminen on edelleen monimutkainen haaste.
Tämän seurauksena viimeisimmät havainnot eivät todennäköisesti vaikuta välittömästi lannoitteiden kysyntään. Sen sijaan ne edistävät kasvavaa tieteellistä perustaa, joka voisi lopulta tukea seuraavan-sukupolven mikrobitekniikoiden kehittämistä, jotka on suunniteltu täydentämään tai osittain korvaamaan synteettisiä typpisovelluksia.
Seuraavat askeleet tutkijoille
Tutkimuksen seuraava vaihe keskittyy siihen, voidaanko luonnonvaraisessa risobiassa tunnistettuja geneettisiä mekanismeja viedä bakteerilajeihin, jotka liittyvät luonnollisesti viljakasvien juuriin. Tutkijoiden on sitten selvitettävä, voivatko nämä muokatut mikrobiyhteisöt tarjota tarpeeksi biologisesti sitoutunutta typpeä mitattavissa olevien viljelyhyötyjen tuottamiseksi kaupallisissa viljelyolosuhteissa.
Menestys merkitsisi suurta muutosta viljelykasvien ravitsemuksessa, mikä mahdollistaisi viljelijöille mahdollisuuden vähentää lannoitteiden käyttöä samalla kun sato säilyy. Toistaiseksi työ on kuitenkin varhainen, mutta merkittävä askel kohti yhtä maatalouden halutuimmista-tavoitteista: mahdollistaa tärkeimpien viljakasvien pääsy typpeen biologisten kumppanuuksien kautta sen sijaan, että luotaisiin kokonaan valmistettuihin lannoitteisiin.
