Pētnieki ir pierādījuši, ka ģenētisko iekārtu, kas ir atbildīga par bioloģisko slāpekļa fiksāciju, var pārnest uz jauniem baktēriju celmiem, nodrošinot skaidrāku izpratni par to, kā šī būtiskā lauksaimniecības iezīme izplatās dabā, un, iespējams, paver jaunas iespējas lauksaimniecības atkarības samazināšanai no sintētiskajiem slāpekļa mēslošanas līdzekļiem.
Rezultāti, kas publicētiPašreizējā bioloģija28. maijā pievērsiet uzmanību savvaļas rhizobia{1}}augsnes baktērijām, kas veido simbiotiskas attiecības ar pākšaugu kultūrām, piemēram, zirņiem un pupiņām. Šīs baktērijas pārvērš atmosfēras slāpekli formās, ko var izmantot augi, ļaujot pākšaugiem augt ar nelielu ārēju slāpekļa mēslojumu vai bez tā. Zinātnieki saka, ka pētījums atklāj, kā gēnus, kas regulē šo simbiozi, var iegūt baktēriju līnijas, kurām iepriekš nebija iespēju, kas ir galvenais solis ceļā uz bioloģiskās slāpekļa piesaistes paplašināšanu uz citām kultūrām.
Simbiozes ģenētiskā pamata izpratne
Pētījumā, ko vadīja Angeliqua P. Montoya un kolēģi, tika pētīta jaunizveidoto endosimbiotisko attiecību evolūcijas genomika savvaļas rizobijā. Izsekojot, kā slāpekli{2}}fiksējošie gēni pārvietojas starp baktēriju populācijām, pētnieki varēja noteikt ģenētiskos ceļus, kas ļauj baktērijām izveidot veiksmīgas partnerattiecības ar augiem.
Slāpekļa fiksācija pākšaugos ir atkarīga no specializētiem sakņu mezgliņiem, kur rhizobia saņem ogļhidrātus no saimniekauga apmaiņā pret bioloģiski fiksētu slāpekli. Lai gan šīs attiecības ir dabiski attīstījušās miljoniem gadu, zinātnieki jau sen ir meklējuši veidus, kā atkārtot līdzīgas sistēmas pākšaugu kultūrās, kas nav{1}}pākšaugi.
Pētījums sniedz jaunus pierādījumus tam, ka simbiozei nepieciešamās ģenētiskās iezīmes var izplatīties starp baktēriju līnijām, kas liecina, ka slāpekļa{0}}fiksācijas partnerību attīstība var būt elastīgāka, nekā tika saprasts iepriekš. Šādi atklājumi varētu palīdzēt pētniekiem noteikt ģenētiskos priekšnoteikumus, kas nepieciešami, lai izveidotu līdzīgas attiecības baktērijās, kas saistītas ar labības kultūrām.
Kāpēc izrāviens ir svarīgs mēslošanas līdzekļu tirgiem?
Bioloģiskās slāpekļa fiksācijas nozīme sniedzas daudz tālāk par augu bioloģiju. Lielākā daļa pasaules galveno kultūraugu,-tostarp kvieši, kukurūza un rīsi-nespēj piesaistīt atmosfēras slāpekli, un tāpēc tās ir ļoti atkarīgas no slāpekļa mēslošanas līdzekļiem, kas iegūti, izmantojot Hābera-Bosch procesu.
Amonjaka ražošana, kas ir slāpekļa mēslošanas līdzekļu pamats, ir viens no energoietilpīgākajiem{0}}rūpnieciskajiem procesiem visā pasaulē un joprojām ir ļoti pakļauts dabasgāzes izmaksām, ģeopolitiskiem traucējumiem un tirdzniecības ierobežojumiem. Nesenā nepastāvība mēslošanas līdzekļu tirgos, tostarp piegādes problēmas, kas saistītas ar Tuvo Austrumu kuģniecības ceļiem un eksporta kontroli no lielākajām ražotājvalstīm, ir atjaunojušas interesi par tehnoloģijām, kas varētu samazināt atkarību no sintētiskā slāpekļa.
Ja graudaugu kultūrām bioloģiskās fiksācijas rezultātā tiktu nodrošināta ievērojama daļa no savām vajadzībām pēc slāpekļa, ilgtermiņa ietekme uz mēslojuma pieprasījumu varētu būt ievērojama. Lai gan šāda pāreja joprojām ir tālu, tā ir piesaistījusi ievērojamas investīcijas no lauksaimniecības biotehnoloģiju uzņēmumiem, bioloģisko izejvielu izstrādātājiem un galvenajiem augu-barības vielu piegādātājiem, kuri meklē ilgtspējīgākus barības vielu{3}}pārvaldības risinājumus.
Balstoties uz iepriekšējiem sasniegumiem
Jaunais pētījums papildina arvien vairāk pētījumu, kuru mērķis ir izprast molekulāros mehānismus, kas regulē augu{0}}mikrobu simbiozi. Iepriekšējos pētījumos ir konstatēti specifiski augu proteīni, signālu ceļi un kalcija -mediētas reakcijas, kas nosaka, vai augi pieņem vai noraida slāpekli{3}}fiksējošās baktērijas.
Pētnieki jau ir pierādījuši, ka paraugaugos un dažās labības sugās, tostarp miežos, ir veiktas koncepcijas modifikācijas-, un dažas labības sugas, tostarp mieži, parādot, ka simbiotiskā signalizācijas tīkla komponentus var manipulēt. Tomēr uzticamas un ekonomiski nozīmīgas slāpekļa piesaistes sasniegšana galvenajās labības kultūrās joprojām ir viens no vērienīgākajiem mērķiem lauksaimniecības zinātnē.
Pašreizējie bioloģijas atklājumi sniedz papildu perspektīvu, koncentrējoties uz attiecību mikrobu pusi, atklājot, kā rodas slāpekļa{0}}fiksācijas spējas un izplatās starp baktēriju populācijām dabiskā vidē.
Komerciālā izvietošana vēl ir gadu attālumā
Neskatoties uz zinātnes progresu, pētnieki brīdina, ka praktiska lauksaimniecības pielietošana joprojām ir ilgtermiņa{0}}mērķis. Gēnu pārneses un simbiotisko spēju demonstrēšana savvaļas baktēriju sistēmās ir nozīmīgs zinātnisks pavērsiens, taču, pirms šādus atklājumus var pārvērst komerciālos produktos, joprojām ir nopietnas problēmas.
Bioloģiskā mēslojuma nozare pēdējo desmit gadu laikā ir piesaistījusi ievērojamu riska kapitālu un korporatīvos ieguldījumus, tomēr nozare ir piedzīvojusi arī neveiksmes, jo uzņēmumi cīnās, lai lauka apstākļos konsekventi reproducētu laboratorijas rezultātus. Panākt stabilu kolonizāciju, pietiekamu slāpekļa piesaistes ātrumu un ekonomisko atdevi audzētājiem joprojām ir sarežģīts izaicinājums.
Tā rezultātā jaunākajiem atklājumiem, visticamāk, nebūs tūlītējas ietekmes uz mēslojuma pieprasījumu. Tā vietā tie veicina augošu zinātnisko pamatu, kas galu galā varētu atbalstīt nākamās paaudzes mikrobu tehnoloģiju izstrādi, kas izstrādātas, lai papildinātu vai daļēji aizstātu sintētiskā slāpekļa lietojumus.
Nākamie soļi pētniekiem
Nākamajā pētījuma fāzē galvenā uzmanība tiks pievērsta tam, vai savvaļas rizobijā identificētos ģenētiskos mehānismus var ieviest baktēriju sugās, kas dabiski asociējas ar labības kultūru saknēm. Pēc tam zinātniekiem ir jānosaka, vai šīs inženierijas mikrobu kopienas var nodrošināt pietiekami daudz bioloģiski fiksēta slāpekļa, lai nodrošinātu izmērāmus agrotehniskos ieguvumus komerciālos lauksaimniecības apstākļos.
Panākumi nozīmētu būtiskas izmaiņas kultūraugu uzturā, kas potenciāli ļautu lauksaimniekiem samazināt mēslojuma izmantošanu, vienlaikus saglabājot ražu. Tomēr pagaidām darbs joprojām ir agrs, bet ievērojams solis ceļā uz vienu no lauksaimniecības-vispieprasītākajiem mērķiem: ļaut lielākajām labības kultūrām piekļūt slāpeklim, izmantojot bioloģiskas partnerības, nevis pilnībā paļaujoties uz ražoto mēslojumu.
