Cercetătorii au demonstrat că mașina genetică responsabilă de fixarea biologică a azotului poate fi transferată în noi tulpini de bacterii, oferind o înțelegere mai clară a modului în care această trăsătură agricolă crucială se răspândește în natură și deschizând potențial noi căi pentru reducerea dependenței agriculturii de îngrășămintele sintetice cu azot.
Constatările, publicate înBiologie actualăpe 28 mai, concentrați-vă pe rizobiile sălbatice-bacteriile din sol care formează relații simbiotice cu culturile de leguminoase, cum ar fi mazărea și fasolea. Aceste bacterii transformă azotul atmosferic în forme pe care plantele le pot folosi, permițând leguminoaselor să crească cu puțin sau fără îngrășământ extern cu azot. Oamenii de știință spun că studiul aruncă lumină asupra modului în care genele care guvernează această simbioză pot fi dobândite de descendențe bacteriene care anterior nu aveau capacitatea, un pas cheie către extinderea fixării biologice a azotului la alte culturi.
Înțelegerea bazei genetice a simbiozei
Studiul, condus de Angeliqua P. Montoya și colegii săi, a examinat genomica evolutivă a relațiilor endosimbiotice nou apărute în rizobiile sălbatice. Urmărind modul în care genele care fixează-azotul se mișcă între populațiile bacteriene, cercetătorii au reușit să identifice căile genetice care permit bacteriilor să stabilească parteneriate de succes cu plantele.
Fixarea azotului în leguminoase depinde de nodulii rădăcinii specializați, unde rizobiile primesc carbohidrați de la planta gazdă în schimbul azotului fixat biologic. În timp ce această relație a evoluat în mod natural de-a lungul a milioane de ani, oamenii de știință au căutat de mult timp modalități de a reproduce sisteme similare în culturile non-de leguminoase.
Cercetarea oferă noi dovezi că trăsăturile genetice necesare pentru simbioză se pot răspândi în liniile bacteriene, sugerând că evoluția parteneriatelor-de fixare a azotului poate fi mai flexibilă decât se înțelegea anterior. Astfel de descoperiri ar putea ajuta cercetătorii să identifice premisele genetice necesare pentru a stabili relații similare în bacteriile asociate cu culturile de cereale.
De ce este importantă descoperirea pentru piețele de îngrășăminte
Semnificația fixării biologice a azotului se extinde cu mult dincolo de biologia plantelor. Majoritatea culturilor de bază ale lumii-inclusiv grâul, porumbul și orezul-nu pot fixa azotul atmosferic și, prin urmare, depind în mare măsură de îngrășămintele cu azot produse prin procesul Haber-Bosch.
Fabricarea amoniacului, baza îngrășămintelor cu azot, este unul dintre procesele industriale cu cea mai mare energie-la nivel global și rămâne foarte expus la costurile cu gazele naturale, perturbările geopolitice și restricțiile comerciale. Volatilitatea recentă de pe piețele de îngrășăminte, inclusiv preocupările legate de aprovizionare legate de rutele de transport maritim din Orientul Mijlociu și de controalele exporturilor din marile țări producătoare, a reînnoit interesul pentru tehnologiile care ar putea reduce dependența de azotul sintetic.
Dacă culturile de cereale ar putea obține o parte semnificativă din necesarul lor de azot prin fixare biologică, implicațiile-pe termen lung asupra cererii de îngrășăminte ar putea fi substanțiale. Deși o astfel de tranziție rămâne îndepărtată, ea a atras investiții semnificative din partea companiilor de biotehnologie agricolă, dezvoltatorilor de inputuri biologice și furnizorilor importanți de-nutrienți ai culturilor care caută soluții mai durabile de gestionare-nutrienților.
Pe baza progreselor anterioare
Noul studiu se adaugă unui număr tot mai mare de cercetări menite să înțeleagă mecanismele moleculare care guvernează simbioza-microbiană a plantelor. Investigațiile anterioare au identificat anumite proteine vegetale, căi de semnalizare și răspunsuri mediate de calciu-care determină dacă plantele acceptă sau resping bacteriile care fixează-azotul.
Cercetătorii au demonstrat deja dovezi-de-modificări de concept în plante model și unele specii de cereale, inclusiv orz, arătând că componentele rețelei de semnalizare simbiotică pot fi manipulate. Cu toate acestea, realizarea unei fixări fiabile și semnificative din punct de vedere economic a azotului în culturile majore de cereale rămâne unul dintre cele mai ambițioase obiective ale științei agricole.
Descoperirile Biologiei curente oferă o perspectivă complementară, concentrându-se pe partea microbiană a relației, dezvăluind modul în care capacitățile de fixare-azotului apar și se răspândesc printre populațiile bacteriene din mediile naturale.
Desfășurarea comercială rămâne la câțiva ani distanță
În ciuda progresului științific, cercetătorii avertizează că aplicațiile agricole practice rămân un obiectiv-pe termen lung. Demonstrarea transferului de gene și a capacității simbiotice în sistemele bacteriene sălbatice reprezintă o piatră de hotar științifică importantă, dar rămân provocări semnificative înainte ca astfel de descoperiri să poată fi transpuse în produse comerciale.
Sectorul îngrășămintelor biologice a atras capital de risc substanțial și investiții corporative în ultimul deceniu, dar industria a experimentat și eșecuri, deoarece companiile se luptă să reproducă în mod constant rezultatele de laborator în condiții de teren. Obținerea unei colonizări stabile, a unor rate suficiente de fixare a azotului și a randamentelor economice pentru cultivatori rămâne o provocare complexă.
Ca urmare, este puțin probabil ca ultimele descoperiri să aibă vreun impact imediat asupra cererii de îngrășăminte. În schimb, ele contribuie la o fundație științifică în creștere care ar putea susține în cele din urmă dezvoltarea de tehnologii microbiene de-generație următoare, concepute să suplimenteze sau să înlocuiască parțial aplicațiile de azot sintetic.
Următorii pași pentru cercetători
Următoarea fază a cercetării se va concentra asupra faptului dacă mecanismele genetice identificate în rizobiile sălbatice pot fi introduse în speciile bacteriene care se asociază în mod natural cu rădăcinile culturilor de cereale. Oamenii de știință trebuie apoi să stabilească dacă aceste comunități microbiene modificate pot furniza suficient azot fixat biologic pentru a oferi beneficii agronomice măsurabile în condiții de agricultură comercială.
Succesul ar reprezenta o schimbare majoră în nutriția culturilor, permițând posibil fermierilor să reducă utilizarea îngrășămintelor, menținând în același timp randamentele. Deocamdată, însă, munca rămâne un pas timpuriu, dar notabil, către unul dintre cele mai căutate obiective-după agriculturii: să permită culturilor majore de cereale să aibă acces la azot prin parteneriate biologice, mai degrabă decât să se bazeze în întregime pe îngrășăminte fabricate.
