A kutatók bebizonyították, hogy a biológiai nitrogénkötésért felelős genetikai gépezet átvihető új baktériumtörzsekbe, így jobban megérthető, hogyan terjed ez a kulcsfontosságú mezőgazdasági tulajdonság a természetben, és potenciálisan új utakat nyithat meg a mezőgazdaság szintetikus nitrogénműtrágyáktól való függésének csökkentésében.
Az eredményeket ben tették közzéAktuális biológiamájus 28-án a vadon élő rhizobia{1}}talajbaktériumokra összpontosít, amelyek szimbiotikus kapcsolatot alakítanak ki hüvelyesekkel, például borsóval és babbal. Ezek a baktériumok a légköri nitrogént olyan formákká alakítják át, amelyeket a növények használhatnak, lehetővé téve a hüvelyesek növekedését kevés külső nitrogénműtrágyával vagy anélkül. A tudósok szerint a tanulmány rávilágít arra, hogy a szimbiózist irányító géneket hogyan szerezhetik meg olyan baktériumok, amelyek korábban nem voltak képesek erre, ami kulcsfontosságú lépés a biológiai nitrogénkötés más növényekre való kiterjesztése felé.
A szimbiózis genetikai alapjainak megértése
Az Angeliqua P. Montoya és munkatársai által vezetett tanulmány az újonnan kialakuló endoszimbiotikus kapcsolatok evolúciós genomikáját vizsgálta vadon élő rhizobiában. A nitrogén{2}}megkötő gének baktériumpopulációk közötti mozgásának nyomon követésével a kutatóknak sikerült azonosítaniuk azokat a genetikai útvonalakat, amelyek lehetővé teszik a baktériumok számára, hogy sikeres partnerkapcsolatokat alakítsanak ki növényekkel.
A hüvelyesekben a nitrogénkötés a speciális gyökérgöböktől függ, ahol a rhizobia szénhidrátot kap a gazdanövénytől biológiailag rögzített nitrogénért cserébe. Míg ez a kapcsolat természetes módon alakult ki évmilliók során, a tudósok régóta keresik a módját, hogy hasonló rendszereket reprodukáljanak a nem-hüvelyes növényekben.
A kutatás új bizonyítékot szolgáltat arra vonatkozóan, hogy a szimbiózishoz szükséges genetikai tulajdonságok baktériumok között is elterjedhetnek, ami arra utal, hogy a nitrogén{0}}megkötő kapcsolatok kialakulása rugalmasabb lehet, mint korábban gondoltuk. Az ilyen eredmények segíthetik a kutatókat abban, hogy azonosítsák azokat a genetikai előfeltételeket, amelyek szükségesek ahhoz, hogy hasonló kapcsolatokat hozzanak létre a gabonanövényekkel kapcsolatos baktériumokban.
Miért fontos az áttörés a műtrágyapiacok számára?
A biológiai nitrogénkötés jelentősége jóval túlmutat a növénybiológián. A világ legtöbb fő növénye,-beleértve a búzát, a kukoricát és a rizst-nem képes megkötni a légköri nitrogént, ezért nagymértékben függ a Haber-Bosch-eljárással előállított nitrogénműtrágyáktól.
Az ammónia gyártása, a nitrogénműtrágyák alapja, világszerte az egyik legenergiaigényesebb ipari folyamat-, és továbbra is erősen ki van téve a földgázköltségeknek, a geopolitikai zavaroknak és a kereskedelmi korlátozásoknak. A műtrágyapiacok közelmúltbeli ingadozása, beleértve a közel-keleti szállítási útvonalakkal és a főbb termelő országok export-ellenőrzésével kapcsolatos ellátási aggályokat, újra felkeltette az érdeklődést az olyan technológiák iránt, amelyek csökkenthetik a szintetikus nitrogéntől való függőséget.
Ha a gabonanövények nitrogénigényük jelentős részét biológiai megkötéssel tudnák megszerezni, az{0}}a műtrágyaigényre gyakorolt hosszú távú következmények jelentősek lehetnek. Bár egy ilyen átmenet távoli marad, jelentős befektetéseket vonzott a mezőgazdasági biotechnológiai vállalatoktól, a biológiai input-fejlesztőktől és a fenntarthatóbb tápanyag-gazdálkodási megoldásokat kereső főbb növény-{2}}tápanyag-beszállítóktól-.
A korábbi fejlesztésekre építve
Az új tanulmány a növényi -mikroba szimbiózist irányító molekuláris mechanizmusok megértését célzó, egyre növekvő számú kutatást egészít ki. Korábbi vizsgálatok specifikus növényi fehérjéket, jelátviteli útvonalakat és kalcium-közvetített válaszokat azonosítottak, amelyek meghatározzák, hogy a növények elfogadják-e vagy elutasítják-e a nitrogén-megkötő baktériumokat.
A kutatók már bebizonyították, hogy a modellnövényekben és egyes gabonafajokban, köztük az árpában, -}-módosultak a koncepciók, és bebizonyították, hogy a szimbiotikus jelátviteli hálózat összetevői manipulálhatók. A megbízható és gazdaságilag értelmes nitrogénmegkötés megvalósítása azonban a főbb gabonanövényekben továbbra is az egyik legambiciózusabb cél az agrártudományban.
A Current Biology eredményei kiegészítő perspektívát nyújtanak azáltal, hogy a kapcsolat mikrobiális oldalára összpontosítanak, feltárva, hogyan jelennek meg és terjednek el a nitrogén{0}}megkötő képességei a természetes környezetben élő baktériumpopulációk között.
A kereskedelmi bevezetés még évek múlva lesz
A tudományos fejlődés ellenére a kutatók arra figyelmeztetnek, hogy a gyakorlati mezőgazdasági alkalmazások továbbra is hosszú távú-célok maradnak. A vadon élő baktériumrendszerekben a géntranszfer és a szimbiotikus képesség kimutatása fontos tudományos mérföldkő, de jelentős kihívások várnak még azelőtt, hogy az ilyen felfedezéseket kereskedelmi termékekké lehessen fordítani.
A biológiai műtrágya-ágazat jelentős kockázati tőkét és vállalati befektetéseket vonzott az elmúlt évtizedben, ennek ellenére az iparág visszaeséseket is átélt, mivel a vállalatok küzdenek a laboratóriumi eredmények következetes reprodukálásával szántóföldi körülmények között. A stabil kolonizáció, a megfelelő nitrogénkötési arány és a termelők gazdasági megtérülése továbbra is összetett kihívást jelent.
Ennek eredményeként a legújabb eredmények valószínűleg nem lesznek azonnali hatással a műtrágyakeresletre. Ehelyett hozzájárulnak egy növekvő tudományos alaphoz, amely végül támogathatja a következő generációs mikrobiális technológiák kifejlesztését, amelyek célja a szintetikus nitrogénalkalmazások kiegészítése vagy részleges helyettesítése.
Következő lépések a kutatók számára
A kutatás következő szakasza arra irányul, hogy a vadon élő rhizobiában azonosított genetikai mechanizmusok beépíthetők-e olyan baktériumfajokba, amelyek természetes módon társulnak a gabonanövények gyökereihez. A tudósoknak ezt követően meg kell határozniuk, hogy ezek a mesterségesen kialakított mikrobiális közösségek képesek-e elegendő biológiailag rögzített nitrogént biztosítani ahhoz, hogy mérhető agronómiai előnyöket biztosítsanak kereskedelmi gazdálkodási körülmények között.
A siker jelentős változást jelentene a növények táplálkozásában, ami potenciálisan lehetővé tenné a gazdálkodók számára, hogy csökkentsék a műtrágyahasználatot a hozamok megőrzése mellett. Egyelőre azonban ez a munka továbbra is egy korai, de figyelemre méltó lépés a mezőgazdaság egyik legkeresettebb-célja felé: a főbb gabonanövények biológiai partnerségek révén történő nitrogénhez való hozzáférésének lehetővé tétele a teljes műtrágyákra való támaszkodás helyett.
