Vědci z Aarhus University identifikovali sedm přirozeně se vyskytujících sloučenin kořenů pšenice, které potlačují nitrifikační půdní bakterie stejně silně jako syntetické inhibitory nitrifikace, čímž otevírají potenciální šlechtitelskou cestu směrem k odrůdám pšenice, které zadržují více aplikovaného dusíku, aniž by vyžadovaly další chemické vstupy nebo oběti výnosu.
Zemědělství se stále potýká s problémem dusíku
Méně než polovina dusíku aplikovaného jako hnojivo je ve skutečnosti přijímána plodinami a zbytek se ztrácí vyluhováním do vodních cest nebo plynnými emisemi do atmosféry jako oxid dusný, silný skleníkový plyn. Po desetiletí byly primární odpovědí regulační limity na aplikační dávky a syntetické inhibitory nitrifikace, chemikálie, které zpomalují mikrobiální přeměnu amonia na dusičnany, ale jsou nákladné, vyžadují opakovanou aplikaci a mohou ovlivnit ne-cílové půdní organismy.
Tým z Aarhusu, vedený postdoktorským výzkumníkem Purnou Kumar Khatri, zkoumal, zda samotná pšenice může vykonávat verzi této funkce biologicky. Jejich práce se soustředí na biologickou inhibici nitrifikace, což je proces, při kterém kořeny rostlin uvolňují přírodní sloučeniny, které potlačují nitrifikační mikroby zodpovědné za přeměnu amonia na formu dusičnanů náchylnější k vyplavování-.
Co jsou benzoxazinoidy?
Benzoxazinoidy jsou sekundární metabolity produkované přirozeně obilnými plodinami včetně pšenice, kukuřice a žita, tradičně studované pro svou roli v obraně rostlin proti hmyzu, plevelům a háďátkům. Aarhuští vědci zkoumali 18 různých benzoxazinoidních sloučenin pomocí bioluminiscenčního testu s Nitrosomonas europaea, modelovou nitrifikační bakterií, a našli sedm - včetně BOA, MBOA, DIBOA a DIMBOA - schopných silně potlačit nitrifikaci při relativně nízkých koncentracích. Vzhledem k tomu, že tyto sloučeniny jsou produkovány a uvolňovány samotnou rostlinou, nikoli externě, nabízejí zásadně odlišný mechanismus dodávání než syntetické inhibitory: kontinuální, lokalizované uvolňování přesně tam, kde a kdy rostlina potřebuje chránit dostupný dusík.
Upravené linie pšenice ukazují, že účinek může být zesílen
Studie porovnávala konvenční rodičovskou linii pšenice se dvěma liniemi pšenice nesoucími fragment chromozomu z Leymus racemosus, divoké trávy, o které je známo, že zvyšuje vlastnosti biologické inhibice nitrifikace. Pěstované hydroponicky, zesílené linie uvolňovaly výrazně vyšší koncentrace aktivních benzoxazinoidů než rodičovská linie a jejich kořenové exsudáty potlačovaly nitrifikaci až dvakrát silněji -, což je výsledek, který přímo koreloval s vyššími naměřenými koncentracemi sloučenin.
Modelové práce citované výzkumníky naznačují, že plodiny s biologickou -nitrifikací-inhibicí- by mohly snížit ztráty dusíku o 20 % až 30 % a rané polní pokusy neprokázaly, že by tato vlastnost byla spojena s žádným snížením výnosu, což znamená, že zemědělci by v zásadě mohli aplikovat méně hnojiv a sklízet srovnatelné objemy obilí. Khatri řekl, že rozsah této příležitosti je významný i při mírném zvýšení účinnosti: „Pokud dokážete zvýšit účinnost využívání dusíku-v reálných polních podmínkách dokonce o deset procent, absolutní úspory hnojiv a emisí jsou obrovské.“
Od chemie k chovatelskému cíli
Dlouhodobým-cílem je převést chemické poznatky do šlechtitelské strategie: jakmile vědci zjistí, které biosyntetické cesty produkují nejúčinnější sloučeniny inhibující nitrifikaci-, mohli by šlechtitelé rostlin vybrat odrůdy pšenice, které vyjadřují vlastnosti silněji, aniž by zemědělci museli měnit postupy nebo nakupovat nové vstupy. Výzkum je součástí širšího mezinárodního projektu CropSustain, ve kterém paralelní výzkumné skupiny studují, jak tyto vlastnosti ovlivňují půdní mikrobiomy a -cílové organismy v delším časovém období -, což je otázka, která je důležitá pro regulační a komerční využití, i když se základní biologie ukáže jako robustní.
Zjištění přicházejí v době, kdy globální trhy s dusíkem zůstávají volatilní po přerušení Hormuzského průlivu, které před částečnou korekcí poslalo ceny močoviny na téměř-rekordní maxima. Zatímco šlechtění odrůd pšenice-inhibujících nitrifikaci-pochází spíše ve více-letém horizontu, než aby nabízely okamžitou úlevu, výzkum přidává k rostoucímu počtu biologických alternativ - vedle produktů fixujících mikrobiální dusík-, které již komercializovaly společnosti včetně Pivot Bio -, které by mohly postupně snížit strukturální závislost zemědělského sektoru na vstupu syntetického dusíku.
Studie „Benzoxazinoidy jako kandidátní sloučeniny pro biologickou inhibici nitrifikace v pšenici“ byla publikována v Plant Physiology and Biochemistry a byla provedena ve spolupráci s University of Copenhagen, University of Aberdeen a mexickým Mezinárodním centrem pro zlepšení kukuřice a pšenice (CIMMYT), které poskytlo semenný materiál pro zkoušku.
