Výzkumníci prokázali, že genetický aparát zodpovědný za biologickou fixaci dusíku může být přenesen do nových kmenů bakterií, což poskytuje jasnější pochopení toho, jak se tato klíčová zemědělská vlastnost šíří v přírodě, a potenciálně otevírá nové cesty pro snížení závislosti zemědělství na syntetických dusíkatých hnojivech.
Zjištění zveřejněná vSoučasná biologie28. května se zaměřte na divoké rhizobie-půdní bakterie, které vytvářejí symbiotické vztahy s luštěninami, jako je hrách a fazole. Tyto bakterie přeměňují atmosférický dusík na formy, které mohou rostliny využívat, a umožňují tak luštěninám růst s malým nebo žádným vnějším dusíkatým hnojivem. Vědci tvrdí, že studie vrhá světlo na to, jak mohou geny řídící tuto symbiózu získat bakteriální linie, které dříve tuto schopnost postrádaly, což je klíčový krok k rozšíření biologické fixace dusíku na jiné plodiny.
Pochopení genetického základu symbiózy
Studie pod vedením Angeliqua P. Montoya a kolegů zkoumala evoluční genomiku nově vznikajících endosymbiotických vztahů u divokých rhizobií. Sledováním toho, jak se geny fixující dusík- pohybují mezi bakteriálními populacemi, byli vědci schopni identifikovat genetické cesty, které bakteriím umožňují navázat úspěšné partnerství s rostlinami.
Fixace dusíku v luštěninách závisí na specializovaných kořenových uzlinách, kde rhizobie přijímají sacharidy z hostitelské rostliny výměnou za biologicky fixovaný dusík. I když se tento vztah přirozeně vyvíjel miliony let, vědci dlouho hledali způsoby, jak replikovat podobné systémy v ne-luštěninových plodinách.
Výzkum poskytuje nové důkazy o tom, že genetické rysy potřebné pro symbiózu se mohou šířit napříč bakteriálními liniemi, což naznačuje, že vývoj partnerství fixujících dusík- může být flexibilnější, než se dříve vědělo. Taková zjištění by mohla pomoci výzkumníkům identifikovat genetické předpoklady potřebné k vytvoření podobných vztahů u bakterií spojených s obilnými plodinami.
Proč je průlom důležitý pro trhy s hnojivy
Význam biologické fixace dusíku daleko přesahuje biologii rostlin. Většina hlavních světových plodin-včetně pšenice, kukuřice a rýže-nedokáže vázat atmosférický dusík, a proto je silně závislá na dusíkatých hnojivech vyrobených Haberovým-procesem Bosch.
Výroba čpavku, který je základem dusíkatých hnojiv, je celosvětově jedním z energeticky-nejnáročnějších průmyslových procesů a je i nadále vysoce vystavena nákladům na zemní plyn, geopolitickým rozvratům a obchodním omezením. Nedávná nestálost na trzích s hnojivy, včetně obav o dodávky související s přepravními trasami na Středním východě a kontrolami vývozu z hlavních producentských zemí, obnovila zájem o technologie, které by mohly snížit závislost na syntetickém dusíku.
Pokud by obilniny dokázaly získat smysluplný podíl svých požadavků na dusík prostřednictvím biologické fixace, dlouhodobé-důsledky pro poptávku po hnojivech by mohly být značné. I když je tento přechod vzdálený, přilákal značné investice od zemědělských biotechnologických společností, vývojářů biologických vstupů a hlavních dodavatelů plodin-živin, kteří hledají udržitelnější řešení-nakládání s živinami.
Navazovat na předchozí pokroky
Nová studie přispívá k rostoucímu počtu výzkumů zaměřených na pochopení molekulárních mechanismů, které řídí rostlinnou-mikrobiální symbiózu. Dřívější výzkumy identifikovaly specifické rostlinné proteiny, signální dráhy a vápníkem -zprostředkované reakce, které určují, zda rostliny přijímají nebo odmítají bakterie fixující dusík-.
Výzkumníci již prokázali--modifikaci konceptu u modelových rostlin a některých druhů obilovin, včetně ječmene, což ukazuje, že komponenty symbiotické signální sítě lze manipulovat. Dosažení spolehlivé a ekonomicky smysluplné fixace dusíku v hlavních plodinách obilovin však zůstává jedním z nejambicióznějších cílů v zemědělské vědě.
Zjištění Current Biology poskytují doplňkovou perspektivu tím, že se zaměřují na mikrobiální stránku vztahu a odhalují, jak se mezi bakteriálními populacemi v přirozeném prostředí objevují a šíří schopnosti vázat dusík-.
Komerční nasazení zbývá roky
Navzdory vědeckému pokroku výzkumníci upozorňují, že praktické zemědělské aplikace zůstávají dlouhodobým-cílem. Demonstrace přenosu genů a symbiotické schopnosti v divokých bakteriálních systémech představuje důležitý vědecký milník, ale před převedením takových objevů do komerčních produktů zbývají značné problémy.
Odvětví biologických hnojiv přilákalo v uplynulém desetiletí značný rizikový kapitál a podnikové investice, avšak toto odvětví také zaznamenalo neúspěchy, protože společnosti se snaží konzistentně reprodukovat laboratorní výsledky v polních podmínkách. Dosažení stabilní kolonizace, dostatečné míry fixace dusíku a ekonomické návratnosti pro pěstitele zůstává složitou výzvou.
V důsledku toho je nepravděpodobné, že by nejnovější poznatky měly okamžitý dopad na poptávku po hnojivech. Místo toho přispívají k rostoucí vědecké základně, která by mohla případně podpořit vývoj mikrobiálních technologií příští{1}}generace navržených tak, aby doplňovaly nebo částečně nahradily aplikace syntetického dusíku.
Další kroky pro výzkumníky
Další fáze výzkumu se zaměří na to, zda lze genetické mechanismy identifikované u divokých rhizobií zavést do bakteriálních druhů, které se přirozeně spojují s kořeny obilných plodin. Vědci pak musí určit, zda tato uměle vytvořená mikrobiální společenství mohou poskytnout dostatek biologicky fixovaného dusíku k poskytnutí měřitelných agronomických přínosů v podmínkách komerčního zemědělství.
Úspěch by představoval velký posun ve výživě plodin, což by farmářům potenciálně umožnilo snížit používání hnojiv při zachování výnosů. Prozatím však tato práce zůstává raným, ale pozoruhodným krokem k jednomu z nejvyhledávanějších-cílů zemědělství: umožnit hlavním plodinám obilnin přístup k dusíku prostřednictvím biologických partnerství namísto spoléhání se výhradně na umělá hnojiva.
