Lähiaastakümnetel peab inimkond toitma miljardeid inimesi planeedil, mis on surve all. äärmuslikud kuumalained, intensiivsed põuad ja degradeerunud mulladSeda stsenaariumi arvestades muutub taimede kasvatamise ja mõistmise viis kiiresti ning üks põnevamaid uurimissuundi on see, mida kõnekeeles nimetatakse "lämmastikku hingavateks taimedeks".
Selle rabava idee taga peitub hiiglaslik väljakutse: saada põllukultuurid nii, et need suudaksid õhust lämmastikku rakendada ja keemilistest väetistest sõltuvust vähendadaKohandudes soojema, kuivema ja muutlikuma kliimaga, on juhtivad keskused, nagu Taimebiotehnoloogia ja Genoomika Keskus (CBGP), selle väljakutsega juba täielikult seotud, ühendades biotehnoloogia, ökoloogia ja säästva põllumajanduse, et säilitada toidutootmist pidevalt muutuvas maailmas.
Miks on lämmastik taimedele nii oluline?
See võib kõlada liialdatult, aga ilma lämmastikuta poleks elu sellisena, nagu me seda teame, sest see element on taimede tekkeks võtmetähtsusega. fotosünteesiks vajalikud valgud, ensüümid ja pigmendidIlma piisava lämmastikuallikata ei saa põllukultuur hästi kasvada, biomassi toota ega vastuvõetavat saaki pakkuda.
Kuigi õhk, mida me hingame, koosneb umbes 78% lämmastikgaasi (N₂)Taimed ei saa seda otse kasutada. Atmosfääri lämmastik on väga stabiilne ja enamikul elusolenditel puuduvad biokeemilised vahendid selle molekuli lagundamiseks ja kasutatavateks ühenditeks, näiteks ammoonium- või nitraatühenditeks, muutmiseks.
Looduslikes tingimustes saavad taimed lämmastikku peamiselt mullast, kujul nitraadi- (NO₃⁻) ja ammooniumi (NH₄⁺) ioonidNeed toitained pärinevad orgaanilise aine lagunemisest või mikroorganismide poolt läbiviidavatest bioloogilisest sidumisest. Kui pinnas on lämmastikuvaene, kannatavad taimed kloroosi all, kasvavad halvasti ja nende produktiivsus langeb järsult.
Selle piirangu kompenseerimiseks on tänapäeva põllumajandus toetunud sünteetilistele väetistele, mis varustavad suures koguses lämmastikku. Probleem on selles, et mudelist on saanud jätkusuutmatu suure energiatarbimise, süsiniku jalajälje ja reostuse tõttu keemiliste väetiste ülekasutamisega seotud pinnase, vee ja atmosfääri kahjustused.
Suur osa praegusest uurimistööst keskendub looduslike strateegiate mõistmisele ja paremale rakendamisele, mille abil mõned organismid ja mõned taime-mikroobi ühendused on võimelised atmosfääri lämmastiku sidumiseks ja ökosüsteemidele kättesaadavaks tegemiseks.
Bioloogiline lämmastiku sidumine: bakterite trikk
Kuigi taimed ei saa lämmastikgaasi otse kasutada, saavad teatud bakterid seda tänu ... kõrgelt spetsialiseerunud ensüüm nimega nitrogenaasSee valk on võimeline lagundama atmosfääri N₂ ja muutma selle lämmastikühenditeks, mis aja jooksul saavad osaks toiduahelast.
Neid lämmastikku siduvaid baktereid leidub nii vabalt mullas kui ka teatud taimeliikide juurtega tihedalt seotud. Mõned neist rajavad end väga tihedad sümbiootilised suhted taimedega, elades spetsiaalsetes struktuurides mis moodustuvad juurtes ja võimaldavad väga peenelt häälestatud ressursside vahetust.
Nn sümbiootilistes lämmastikku siduvates taimedes on taim bakterite peremees ja varustab neid fotosünteesi teel saadud suhkrutega, samal ajal kui mikroorganism teeb sama. atmosfäärist "uue" lämmastiku pakkumineSee vahetus on nii tõhus, et see suudab katta suure osa saagi vajadustest ja rikastada mulda tulevaste taimede jaoks.
Kui need bakteritega seotud taimed oma elutsükli lõpetavad ja nende jäänused pinnasesse imenduvad, vabaneb nende kudedesse kogunenud lämmastik protsessi kaudu, mida nimetatakse lämmastiku mineralisatsioonOrgaaniline aine laguneb ja orgaaniline lämmastik muundub ammooniumiks ja nitraadiks, mida teised taimed kergesti omastavad.
Seega mängivad lämmastiku sidujaid sisaldavad taimekooslused olulist rolli paljude ökosüsteemide ja põllumajandussüsteemide loomulik viljakusvähendades vajadust nii palju välise väetise järele.
Taimed, mis "hingavad" lämmastikku: kaunviljad, sõlmed ja sümbioos
Tuntuim lämmastikku siduvate bakteritega seotud taimerühm on kaunviljad – suur perekond, kuhu kuuluvad igapäevased põllukultuurid, näiteks herned, oad, läätsed, kikerherned, laiad oad või ristikNeed liigid on evolutsiooni käigus arendanud võime moodustada oma juurtele sõlmi, et pakkuda peavarju teatud bakteritele.
Selles suhtes saadab taim juuretsooni keemilisi signaale, mis meelitavad ligi teatud mullabaktereid, mis on võimelised lämmastikku siduma. Kui kontakt on loodud, hakkab juur moodustuma. spetsiaalsed struktuurid, mida nimetatakse sõlmedeksmis toimivad väikeste, kaitstud „bioloogiliste reaktoritena“, kus bakterid sobivates tingimustes elavad ja töötavad.
Nendes sõlmedes seovad bakterid atmosfääri lämmastikku ja muudavad selle taimesse voolavateks lämmastikühenditeks, samal ajal kui taim saadab bakteritele suhkruid ja muid ühendeid, et neid aktiivsena hoida. Kuigi need mikroorganismid ei teosta fotosünteesi, sõltuvad nad sellest taime poolt päikesevalguse abil tekitatud keemiline energia.
Praktiline tulemus on see, et põllukultuur saab pideva lämmastikuallika ilma nii palju väliseid väetisi vajamata ning osa sellest lämmastikust jääb mulda, kui taim sureb või kui taimejäänused põllumajandustavade kaudu mulda satuvad. Tegelikult... Kaunviljade jäänuste lagunemine rikastab oluliselt mulla lämmastikusisaldust.
See mehhanism selgitab, miks kaunvilju sageli külvikordades või haljasväetisena kasutatakse: need mitte ainult ei tooda toitu, vaid aitavad ka parandada maatüki viljakust ja toetada säästvamaid põllumajandussüsteeme keskmises ja pikas perspektiivis.
Lämmastikku siduvate taimede levik ja mitmekesisus
Lämmastikku siduvate bakteritega seotud taimede ökoloogiline roll on nii oluline, et mitmed teadusrühmad on nende ulatuslikku levikut üksikasjalikult uurinud. Ameerika Ühendriikides on erinevate keskuste, näiteks Florida loodusloomuuseum ning Louisiana ja Mississippi ülikoolidNad on analüüsinud kohalike ja invasiivsete liikide andmeid kümnetes kohtades, et seda mustrit paremini mõista.
Esmapilgul võiks arvata, et lämmastikuvaestes muldades peaks olema mulda siduvate taimede suurem arvukus ja mitmekesisuskuna selle konkurentsieelis oleks suurem keskkondades, mida see toitaine piirab. Põhjalik analüüs aga täpsustab seda pealtnäha loogilist ideed märkimisväärselt.
Erinevate piirkondade võrdlemisel täheldasid teadlased, et lämmastikku siduvate taimede arv kaldus suurenenud alad, kus mullas on vähem lämmastikkuSee sobib klassikalise hüpoteesiga. Kuid nad täheldasid ka, et keskkonna kuivemaks muutudes vähenes nende taimede üldine esinemine.
Kõige silmatorkavam leid oli see, et kui nad vaatasid looduslike lämmastiku sidujate mitmekesisust, avastasid nad teistsuguse mustri: Kohalike mulda siduvate liikide mitmekesisus kasvas märkimisväärselt kuivad piirkonnadolenemata mullas oleva lämmastiku hulgast. See tähendab, et seal, kus veetingimused on karmimad, võib kohalike lämmastikku siduvate taimede leviala olla väga suur.
Need tulemused näitavad, et lämmastikku siduvaid baktereid omavate taimede levik sõltub suures ulatuses mitte ainult mulla lämmastikust, vaid ka mitmete tegurite keerulisest kombinatsioonist, näiteks vee kättesaadavus, evolutsiooniline ajalugu ja taimekoosluste dünaamikaNende mustrite mõistmine on iga piirkonna jaoks paremini sobivate põllumajandussüsteemide kujundamise võtmeks.
CBGP roll: taimebiotehnoloogia kliimamuutuste valguses
Kuigi juurte kinnistavate taimede ökoloogilises mõistmises tehakse edusamme, on sellised uurimiskeskused nagu Taimebiotehnoloogia ja genoomika keskus (CBGP), mis on seotud Madridi Polütehnilise Ülikooliga, keskenduvad teisele rindele: põllukultuuride kohandamine äärmusliku kliimaga, mida me juba kogeme ja mis süveneb lähikümnenditel.
Prognoosid näitavad, et sajandi keskpaigaks on umbes 9.700 miljonit inimest planeedil, mis on kuumem, kuivem ja kus esineb palju sagedamini äärmuslikke ilmastikunähtusi. Aasta 2024 oli juba üks kuumimaid registreeritud aasta ning Euroopas olid kuumalainetega seotud kümned tuhanded surmajuhtumid, kusjuures Hispaania oli üks enim kannatada saanud riike.
Selle stsenaariumi korral õpivad nad CBGP-s igakülgselt kuidas taimed kasvavad, kuidas nad suhtlevad oma keskkonna mikroorganismidega ja kuidas nad reageerivad keskkonnamuutustele, nagu temperatuuri tõus, pikaajaline põud või põllumajandusliku pinnase sooldumine.
Keskuse üks peamisi eesmärke on uute põllukultuuride sortide aretamine või olemasolevate hulgast selliste valimine, mis on võimelised säilitada vastuvõetav saagikus keskkonnastressi tingimustesSee tähendab mitte ainult ebasoodsate tingimuste talumist, vaid ka seda, et me ei sõltuks nii palju välistest sisenditest, nagu väetised ja vesi.
Selle saavutamiseks analüüsivad teadlased molekulaarseid mehhanisme, mis võimaldavad teatud taimedel keskkonnastressile paremini vastu pidada. Nad tuvastavad kaitsevalgud, signaaliülekandeteed ja võtmegeenid mis aktiveeritakse äärmuslikes tingimustes, ja kasutavad seda teavet nn kontseptsioonitõestuste genereerimiseks.
Nendes testides loovad nad transgeenseid taimi, mis akumuleerivad teatud valke või aktiveerivad spetsiifilisi tolerantsusmehhanisme, et kontrollida, kas nad parandavad oma võimekust põua, kuumuse või soolsuse korral. Sel viisil, Nad valideerivad eksperimentaalselt, millised strateegiad on kõige tõhusamad. enne suuremahulise taotluse kaalumist.
Vastupidavamad põllukultuurid: tomatid, ristõielised ja toiduga kindlustatus
Selle lähenemisviisi üks silmapaistvamaid tulemusi on olnud ... väljatöötamine. kõrge soolataluvusega tomatitaimedSee on üha tavalisem probleem põllumajanduspiirkondades, kus niisutamine ja intensiivne aurustamine kontsentreerivad sooli pinnasesse. CBGP meeskond on välja töötanud transgeensed sordid, mis on nende soolasisalduste suhtes vastupidavamad.
Need vastupidavad tomatid on juba andnud tõuke Euroopa patenditaotlusIdee on laiendada tehnoloogiat ka teistele põllukultuuridele, mis on soolsuse suhtes eriti tundlikud, näiteks herned, oad, mais või maasikad. Edu korral oleks see tohutu eelis piirkondades, kus niisutusvee kvaliteet on piiratud või muld on degradeerunud.
Samal ajal töötab töörühm nende edusammude ülekandmise nimel nn ristõielistele, taimeperekonnale, kuhu kuuluvad kapsas, brokkoli ja muud olulised köögiviljad toidusedelis. Nende põhiliste köögiviljade vastupidavuse suurendamine tähendaks toiduga kindlustatuse väga olulise osa kaitsmist ebakindlas kliimakeskkonnas.
Siiski pole see nii lihtne, kui lihtsalt kaitsevalkude sissetoomine ja kõik. Paljud neist valkudest kuuluvad perekonnad, mis sisaldavad ka toiduallergeeneSee nõuab täiendavate ettevaatusabinõude rakendamist. Mitte kõik immuunvalgud ei ole allergeenilised, kuid mõned võivad tundlikel inimestel reaktsioone esile kutsuda.
Sel põhjusel on CBGP-l spetsialiseerunud allergeenide meeskond, kes neid valke põhjalikult hindab. Nende töö keskendub tuvastamisele Millised struktuurilised omadused muudavad valgu potentsiaalseks allergeeniks? ja millised mitte, et saaks välja töötada ohutuid biotehnoloogilisi lahendusi inimtoiduks.
See range lähenemisviis on oluline selleks, et geneetiliselt muundatud või täiustatud põllukultuuride innovatsioonil oleks turul reaalne koht, tagades toiduohutus ja uute sortide vastutustundlik arendamine mis aitavad kliimamuutustega toime tulla ilma uusi probleeme tekitamata.
Teraviljade suunas, mis "hingavad" õhust lämmastikku
CBGP-s elluviidavate kõige ambitsioonikamate projektide seas paistab silma teadlase juhitav projekt. Luis Rubiorahastatud Gatesi Fondi poolt. Selle eesmärki on sama lihtne selgitada kui raske saavutada: muuta teraviljad võimeliseks õhust lämmastiku püüdmiseks ja metaboliseerimiseksvähendades oluliselt sõltuvust keemilistest väetistest.
Erinevalt kaunviljadest ei moodusta sellised põhikultuurid nagu riis, nisu või mais looduslikult nii võimsaid sümbiootilisi seoseid lämmastikku siduvate bakteritega. Samuti puudub neil sisemine mehhanism N₂ sidumiseks iseseisvalt, kuna Neil puudub nitrogenaasi ensüüm mis teatud bakteritel on.
Rubio meeskond kasutab mudelina lämmastikku siduvat bakterit, mis on seotud pagaripärmiga ja mida tuntakse kui Azotobacter vinelandii (mõnes meedias sageli valesti esitatud), mis on võimeline lämmastikku tõhusalt siduma. Idee seisneb lämmastiku sidumisega seotud geenide ülekandmises nendelt bakteritelt taimedele.
Laboris töötavad teadlased nende bakteriaalsete geenide sisseviimise ja koordineeritud ekspressiooni kallal taimerakkudes, eesmärgiga võimaldada teraviljadel aktiveerib sisemiselt funktsionaalse lämmastiku sidumise süsteemiSee on tohutu väljakutse, sest nitrogenaas on väga keeruline ja äärmiselt hapnikutundlik, seega vajab see toimimiseks väga spetsiifilisi tingimusi.
Kui see eesmärk saavutatakse, kasvõi osaliselt, võib see kujutada endast revolutsiooni maailma põllumajanduses: teraviljad saaksid ise katta suure osa oma lämmastikuvajadusest, vähendades sünteetiliste väetiste kasutamist ja sellest tulenevalt ka pinnase-, vee- ja õhureostus, mis on seotud selle tootmise ja kasutamisega.
Keemilised väetised ja põllumajanduslik jätkusuutlikkus
Praegu on lämmastikväetised suure saagikuse säilitamiseks hädavajalikud. globaalne teraviljatoodangTänu neile on olnud võimalik toita pidevalt kasvavat elanikkonda, kuid sellel sõltuvusel on keskkonnakulud, mida on üha raskem kanda.
Väetiste tööstuslik süntees tarbib suures koguses energiat ja eraldab kasvuhoonegaase; nende intensiivne kasutamine põllul põhjustab lämmastikoksiidide ja ammoniaagi heitkogustest tulenev õhusaasteja äravool kannab nitraate jõgedesse, põhjaveekihtidesse ja merre, soodustades selliseid protsesse nagu eutrofeerumine.
Lisaks võivad väetiste liigkasutamine ja teatud majandamistavad kiirendada põllumajandusmuldade degradeeruminevähendades nende võimet säilitada vett ja toitaineid ning lõksu pannes põllumajandustootjad nõiaringi, kus nad sõltuvad välistest sisenditest.
Iseviljastuvate teraviljade projekti teadlaste sõnul võiks nende väetiste kasutamise märkimisväärne vähendamine avada ukse ... palju säästvam põllumajandusVähem väetist tähendab vähem selle tootmisega seotud heitkoguseid, vähem veereostust ja suuremat võimalust degradeerunud muldade taastamiseks.
Lõppeesmärk on aretada riisi-, nisu- ja maisisorte, mis on võimelised suures osas ise viljastuvadkasutades peamise allikana õhust pärit lämmastikku. Meeskond ise tunnistab aga, et see on tohutu tehnoloogilise keerukusega eesmärk, mille laiaulatuslik rakendamine kohapeal nõuab tõenäoliselt aastakümneid kestvat uurimistööd.
Tipptasemel infrastruktuur: kasvuhooned ja risotronid
Nende projektide elluviimiseks on CBGP-l umbes 1.900 m², mis on pühendatud taimede kasvatamisele kontrollitud tingimustesSelle infrastruktuuri keskmes on umbes 1.200 m² suurune kasvuhoone, mis on varustatud täiustatud kliimaseadmete ja valgustussüsteemidega.
Need kasvuhooned võimaldavad kasvatada erinevaid põllumajanduslikult huvipakkuvaid liike või eksperimentaalseid mudeleid ideaalselt reguleeritud tingimustes. temperatuur, valgus, niiskus ja substraadi koostisSee võimaldab taasluua kuumuse, põua või soolsuse põhjustatud stressistsenaariume, et hinnata modifitseeritud või valitud taimede käitumist.
Rajatises on P2-tüüpi mahutimoodulid, mis on spetsiaalselt loodud transgeensete taimedega töötamiseks. Nendes ruumides saab temperatuuri reguleerida laias vahemikus, ligikaudu vahemikus 10 ja 45 ºC, midagi võtmetähtsusega kuumalainete või mõõdukalt külmade tingimuste simuleerimisel.
Lisaks sisaldab kasvuhoone süsteemi automatiseeritud digitaalne fenotüüpimine robotitega, mis liiguvad läbi vahekäikude, et jäädvustada taimede pilte ja andmeid. See süsteem võimaldab täpselt ja ulatuslikult jälgida selliseid aspekte nagu kasv, veeseisund ja stressisümptomite raskusaste.
Teine väga huvitav infrastruktuuri element on niinimetatud risotronid, mis koosnevad läbipaistvad plaadid, mis paljastavad juurestikuTänu neile saab juurtest detailseid kujutisi, mõõta nende kasvu ja paksust ning analüüsida, kuidas need reageerivad erinevatele toodetele või keskkonnatingimustele.
Nende kontrollitud kasvuhoonete, robotanalüüsisüsteemide ja risotronide kombinatsioon muudab keskuse ideaalseks keskkonnaks Uute sortide ja tehnoloogiate testimine enne nende kasutamise laiendamistLisaks ei ole need rajatised reserveeritud ainult sisemistele meeskondadele: need on avatud ka teiste avalike ja eraorganisatsioonide projektidele, mis on huvitatud tuleviku põllumajanduslikele väljakutsetele reageerimisest.
Kõik need uuringud resistentsusvalkude, lämmastikku siduvate sümbiooside ja atmosfääri lämmastikku kasutavate teraviljade kohta viitavad põllumajandusmudelile, kus taimed Nad teevad tihedamat koostööd mikroorganismide ja oma bioloogiaga. toota rohkem väiksemate väliste sisenditega. Kuigi paljude nende eesmärkide saavutamine võtab aastaid või aastakümneid, viib iga edasiminek meid veidi lähemale võimalusele kasvatada põllukultuure, mis piltlikult öeldes „hingavad“ õhust lämmastikku ja toetavad kliimasurve all oleva planeedi globaalseid toiduvarusid.
