Teadlased on näidanud, et bioloogilise lämmastiku sidumise eest vastutavaid geneetilisi mehhanisme saab üle kanda uutesse bakteritüvedesse, pakkudes selgemat arusaama sellest, kuidas see ülioluline põllumajanduslik tunnus looduses levib, ja võib avada uusi võimalusi põllumajanduse sõltuvuse vähendamiseks sünteetilistest lämmastikväetistest.
Leiud, mis avaldati aastalPraegune bioloogia28. mail keskenduge looduslikele risobia{1}}mullabakteritele, mis moodustavad sümbiootilise suhte kaunviljadega, nagu herned ja oad. Need bakterid muudavad õhulämmastiku vormideks, mida taimed saavad kasutada, võimaldades kaunviljadel kasvada vähese või ilma välise lämmastikväetisega. Teadlaste sõnul selgitab uuring, kuidas seda sümbioosi reguleerivaid geene saavad omandada bakteriliinid, millel varem puudus võime, mis on oluline samm bioloogilise lämmastiku sidumise laiendamisel teistele põllukultuuridele.
Sümbioosi geneetilise aluse mõistmine
Angeliqua P. Montoya ja kolleegide juhitud uuringus uuriti metsiku risoobia äsja tekkivate endosümbiootiliste suhete evolutsioonilist genoomikat. Jälgides, kuidas lämmastikku{2}}fikseerivad geenid bakteripopulatsioonide vahel liiguvad, suutsid teadlased tuvastada geneetilised rajad, mis võimaldavad bakteritel luua edukaid partnerlussuhteid taimedega.
Lämmastiku sidumine kaunviljades sõltub spetsiaalsetest juuresõlmedest, kus risobiad saavad peremeestaimelt süsivesikuid vastutasuks bioloogiliselt fikseeritud lämmastiku eest. Kuigi see suhe on miljonite aastate jooksul loomulikult arenenud, on teadlased pikka aega otsinud viise, kuidas sarnaseid süsteeme paljundada ka kaunviljade mitte-kasutamiseks.
Uuring annab uusi tõendeid selle kohta, et sümbioosiks vajalikud geneetilised tunnused võivad levida üle bakteriliinide, mis viitab sellele, et lämmastiku{0}}fikseerumise partnerlussuhted võivad olla paindlikumad, kui seni arvati. Sellised leiud võivad aidata teadlastel tuvastada geneetilisi eeldusi, mis on vajalikud teraviljakultuuridega seotud bakterite sarnaste suhete loomiseks.
Miks on läbimurre väetiseturgude jaoks oluline?
Bioloogilise lämmastiku sidumise tähtsus ulatub taimebioloogiast palju kaugemale. Enamik maailma peamisi põhikultuure,-sh nisu, mais ja riis-ei suuda siduda õhulämmastikku ja sõltuvad seetõttu suuresti Haber-Boschi protsessi käigus toodetud lämmastikväetistest.
Ammoniaagi tootmine, lämmastikväetiste alus, on üks energiamahukamaid tööstusprotsesse kogu maailmas ning see on jätkuvalt väga avatud maagaasikuludele, geopoliitilistele häiretele ja kaubanduspiirangutele. Väetiseturgude hiljutine kõikumine, sealhulgas Lähis-Ida laevateede ja peamiste tootjariikide ekspordikontrolliga seotud tarneprobleemid, on tekitanud taas huvi tehnoloogiate vastu, mis võivad vähendada sõltuvust sünteetilisest lämmastikust.
Kui teraviljakultuurid suudaksid bioloogilise sidumise teel saada olulise osa oma lämmastikuvajadusest, võivad pikaajalised tagajärjed väetiste nõudlusele olla olulised. Kuigi selline üleminek jääb kaugeks, on see meelitanud märkimisväärseid investeeringuid põllumajandusliku biotehnoloogia ettevõtetelt, bioloogiliste sisendite arendajatelt ja suurematelt põllukultuuride{2}}toitainete tarnijatelt, kes otsivad säästvamaid toitainete-halduslahendusi.
Varasematele edusammudele tuginedes
Uus uuring lisab kasvavale hulgale uuringuid, mille eesmärk on mõista molekulaarseid mehhanisme, mis juhivad taimede{0}}mikroobide sümbioosi. Varasemad uuringud on tuvastanud spetsiifilised taimsed valgud, signaalirajad ja kaltsiumi{2}vahendatud vastused, mis määravad, kas taimed võtavad vastu või tõrjuvad lämmastikku siduvaid baktereid.
Teadlased on juba tõestanud, et mudeltaimedes ja mõnedes teraviljaliikides, sealhulgas odras, on-konseptsioonide modifikatsioonid-, mis näitavad, et sümbiootilise signaalivõrgu komponente saab manipuleerida. Usaldusväärse ja majanduslikult mõtteka lämmastiku sidumise saavutamine suuremates teraviljakultuurides on aga endiselt üks ambitsioonikamaid eesmärke põllumajandusteaduses.
Praegused bioloogia leiud pakuvad täiendavat vaatenurka, keskendudes suhte mikroobsetele külgedele, paljastades, kuidas lämmastiku{0}}kinnitusvõime ilmneb ja levib bakteripopulatsioonide vahel looduslikus keskkonnas.
Kaubanduslik kasutuselevõtt jääb aastate taha
Vaatamata teaduse edusammudele hoiatavad teadlased, et praktilised põllumajanduslikud rakendused jäävad{0}}pikaajaliseks eesmärgiks. Geeniülekande ja sümbiootilise võimekuse demonstreerimine looduslikes bakterisüsteemides on oluline teaduslik verstapost, kuid enne selliste avastuste kommertstoodeteks muutmist on veel olulisi väljakutseid.
Bioloogiliste väetiste sektor on viimase kümnendi jooksul meelitanud ligi olulisi riskikapitali ja ettevõtete investeeringuid, kuid tööstus on kogenud ka tagasilööke, kuna ettevõtted näevad vaeva laboritulemuste järjepideva taasesitamise nimel välitingimustes. Stabiilse kolonisatsiooni, piisava lämmastiku sidumise määra ja kasvatajate majandusliku tulu saavutamine on endiselt keeruline väljakutse.
Seetõttu ei avalda viimased leiud tõenäoliselt kohest mõju väetiste nõudlusele. Selle asemel aitavad nad kaasa kasvavale teaduslikule vundamendile, mis võib lõpuks toetada järgmise-põlvkonna mikroobsete tehnoloogiate väljatöötamist, mis on loodud sünteetilise lämmastiku rakenduste täiendamiseks või osaliselt asendamiseks.
Teadlaste järgmised sammud
Uuringu järgmine etapp keskendub sellele, kas looduslikus risoobias tuvastatud geneetilisi mehhanisme saab juurutada bakteriliikidesse, mis seostuvad looduslikult teravilja juurtega. Seejärel peavad teadlased kindlaks tegema, kas need konstrueeritud mikroobikooslused suudavad pakkuda piisavalt bioloogiliselt fikseeritud lämmastikku, et pakkuda kaubanduslikes põllumajandustingimustes mõõdetavat agronoomilist kasu.
Edu tähendaks suurt nihet põllukultuuride toitumises, võimaldades põllumeestel vähendada väetiste kasutamist, säilitades samal ajal saagikuse. Praegu on see töö siiski varane, kuid märkimisväärne samm põllumajanduse ühe ihaldatuima-eesmärgi poole: võimaldada suurematel teraviljakultuuridel saada lämmastik bioloogiliste partnerluste kaudu, selle asemel, et toetuda täielikult valmistatud väetistele.
