U narednim decenijama, čovječanstvo će morati prehraniti milijarde ljudi na planeti koja je pod pritiskom. ekstremni toplotni talasi, intenzivne suše i degradirano tloS obzirom na ovaj scenario, način na koji uzgajamo i razumijemo biljke se brzo mijenja, a jedna od najfascinantnijih linija istraživanja je ona koja se kolokvijalno naziva "biljkama koje dišu dušik".
Iza ove upečatljive ideje krije se ogroman izazov: postići da usjevi budu u stanju iskoristiti dušik iz zraka i smanjiti ovisnost o kemijskim gnojivimaDok se prilagođavaju toplijoj, sušoj i promjenjivijoj klimi, vodeći centri poput Centra za biljnu biotehnologiju i genomiku (CBGP) već su u potpunosti angažovani u ovom izazovu, kombinujući biotehnologiju, ekologiju i održivu poljoprivredu kako bi održali proizvodnju hrane u svijetu koji se stalno mijenja.
Zašto je dušik toliko važan za biljke?
Možda zvuči pretjerano, ali bez dušika ne bi bilo života kakvog poznajemo, jer je ovaj element ključan za formiranje biljaka. proteini, enzimi i pigmenti neophodni za fotosintezuBez adekvatnog izvora dušika, usjev ne može dobro rasti, proizvoditi biomasu ili ponuditi prihvatljive prinose.
Iako se zrak koji udišemo sastoji od otprilike 78% dušikovog plina (N₂)Biljke ga ne mogu direktno koristiti. Atmosferski dušik je vrlo stabilan, a većini živih bića nedostaju biokemijski alati za razgradnju ovog molekula i njegovu transformaciju u upotrebljive spojeve poput amonijaka ili nitrata.
U prirodnim uslovima, biljke dobijaju azot uglavnom iz zemljišta, u obliku nitratni (NO₃⁻) i amonijevi (NH₄⁺) ioniOvi nutrijenti potiču iz razgradnje organske materije ili iz procesa biološke fiksacije koje provode mikroorganizmi. Kada je tlo siromašno dušikom, biljke pate od kloroze, slabo rastu i njihova produktivnost naglo opada.
Da bi se kompenziralo ovo ograničenje, moderna poljoprivreda se oslanja na sintetička gnojiva koja osiguravaju velike količine dušika. Problem je u tome što je model postao neodrživo zbog velike potrošnje energije, ugljičnog otiska i zagađenja tla, vode i atmosfere povezane s prekomjernom upotrebom kemijskih gnojiva.
Veliki dio trenutnih istraživanja fokusira se na razumijevanje i bolje iskorištavanje prirodnih strategija pomoću kojih neki organizmi i neke biljno-mikrobne asocijacije uspijevaju... fiksirati atmosferski dušik i učiniti ga dostupnim ekosistemima.
Biološka fiksacija dušika: trik bakterija
Dok biljke ne mogu direktno koristiti dušikov plin, određene bakterije mogu, zahvaljujući visoko specijalizirani enzim koji se zove nitrogenazaOvaj protein je sposoban razgraditi atmosferski N₂ i transformirati ga u dušična jedinjenja koja s vremenom postaju dio lanca ishrane.
Ove bakterije koje fiksiraju dušik nalaze se slobodno u tlu i u bliskoj vezi s korijenjem određenih biljnih vrsta. Neke od njih se uspostavljaju vrlo bliske simbiotske odnose s biljkama, živeći unutar posebnih struktura koji se formiraju u korijenju i omogućavaju vrlo fino podešenu razmjenu resursa.
Kod takozvanih simbiotskih biljaka koje fiksiraju dušik, biljka je domaćin bakteriji i opskrbljuje je šećerima dobivenim fotosintezom, dok mikroorganizam uzvraća uslugu. obezbjeđivanje „novog“ dušika iz atmosfereOva razmjena je toliko efikasna da može pokriti veliki dio potreba usjeva i obogatiti tlo za buduće biljke.
Kada ove biljke povezane s bakterijama završe svoj životni ciklus i njihovi ostaci se ugrade u tlo, dušik koji su akumulirale u svojim tkivima oslobađa se kroz proces poznat kao mineralizacija dušikaOrganska materija se razgrađuje, a organski azot se transformiše u amonijak i nitrat, oblike koje druge biljke mogu lako apsorbovati.
Dakle, biljne zajednice koje uključuju fiksatore dušika igraju ključnu ulogu u prirodna plodnost mnogih ekosistema i poljoprivrednih sistemasmanjenje potrebe za dostavom velike količine vanjskog gnojiva.
Biljke koje "dišu" dušik: mahunarke, kvržice i simbioza
Najpoznatija grupa biljaka povezana s bakterijama koje fiksiraju dušik su mahunarke, ogromna porodica koja uključuje svakodnevne kulture kao što su grašak, pasulj, leća, slanutak, bob ili djetelinaOve vrste su tokom evolucije razvile sposobnost formiranja kvržica na korijenju kako bi pružile sklonište specifičnim bakterijama.
U ovom odnosu, biljka emitira hemijske signale u korijenovu zonu koji privlače određene bakterije iz tla sposobne za fiksiranje dušika. Nakon što se uspostavi kontakt, korijen počinje formirati. specijalizirane strukture zvane nodulikoji djeluju kao mali, zaštićeni "biološki reaktori", gdje bakterije žive i rade pod odgovarajućim uvjetima.
Unutar ovih nodula, bakterije fiksiraju atmosferski dušik i transformiraju ga u dušična spojeva koji teku u biljku, dok biljka šalje šećere i druge spojeve bakterijama kako bi ih održala aktivnima. Iako ovi mikroorganizmi ne vrše fotosintezu, oni ovise o hemijska energija koju biljka generiše zahvaljujući sunčevoj svjetlosti.
Praktični rezultat je da usjev dobija kontinuirani izvor dušika bez potrebe za toliko vanjskih gnojiva, a dio tog dušika će ostati u tlu kada biljka ugine ili kada se biljni ostaci ugrade kroz poljoprivredne prakse. U stvari, Razgradnja ostataka mahunarki značajno obogaćuje sadržaj dušika u tlu..
Ovaj mehanizam objašnjava zašto se mahunarke često koriste u plodoredu ili kao zeleno gnojivo: one ne samo da proizvode hranu, već i pomažu u poboljšati plodnost parcele i podržati održivije poljoprivredne sisteme na srednji i dugi rok.
Rasprostranjenost i raznolikost biljaka koje fiksiraju dušik
Ekološka uloga biljaka povezanih s bakterijama koje fiksiraju dušik toliko je važna da je nekoliko naučnih timova detaljno proučavalo njihovu rasprostranjenost na velikim razmjerima. U Sjedinjenim Američkim Državama, istraživači iz različitih centara, kao što su Muzej prirodne historije Floride i univerziteti Louisiane i MississippijaAnalizirali su zapise o domaćim i invazivnim vrstama na desetinama lokacija kako bi bolje razumjeli ovaj obrazac.
Na prvi pogled, moglo bi se pomisliti da u tlu siromašnom dušikom treba postojati veća brojnost i raznolikost biljaka koje učvršćuju tlobudući da bi njegova konkurentska prednost bila veća u okruženjima ograničenim ovim nutrijentom. Međutim, detaljna analiza značajno kvalifikuje ovu naizgled logičnu ideju.
Prilikom poređenja različitih regija, istraživači su primijetili da je broj biljaka koje fiksiraju dušik imao tendenciju da se povećanje područja sa manje dostupnog dušika u tluOvo se uklapa u klasičnu hipotezu. Ali su također primijetili da se, kako su okoline postajale suše, ukupna prisutnost ovih biljaka smanjivala.
Najupečatljiviji nalaz bio je da su, kada su proučavali raznolikost domaćih fiksatora dušika, otkrili drugačiji obrazac: Raznolikost domaćih vrsta koje učvršćuju tlo znatno je porasla u sušne regijebez obzira na količinu dušika prisutnog u tlu. To jest, tamo gdje su uvjeti s vodom oštriji, raspon domaćih biljaka koje fiksiraju dušik može biti vrlo širok.
Ovi rezultati pokazuju da, u velikim razmjerima, distribucija biljaka koje sadrže bakterije koje fiksiraju dušik ne ovisi samo o dušiku u tlu, već i o složenoj kombinaciji faktora kao što su dostupnost vode, evolucijska historija i dinamika biljnih zajednicaRazumijevanje ovih obrazaca ključno je za dizajniranje poljoprivrednih sistema koji su bolje prilagođeni svakoj regiji.
Uloga CBGP-a: biljna biotehnologija u suočavanju s klimatskim promjenama
Dok se postiže napredak u ekološkom razumijevanju biljaka koje učvršćuju korijenje, istraživački centri poput Centar za biljnu biotehnologiju i genomiku (CBGP), povezani s Politehničkim univerzitetom u Madridu, fokusiraju se na drugi front: prilagođavanje usjeva ekstremnoj klimi koju već doživljavamo i koja će se intenzivirati u narednim decenijama.
Prognoze pokazuju da će do sredine stoljeća, otprilike 9.700 milion ljudi na planeti koja je toplija, suvlja i podložna mnogo češćim ekstremnim vremenskim događajima. Godina 2024. je već bila jedna od najtoplijih u historiji, a u Evropi su desetine hiljada smrtnih slučajeva povezane s toplotnim talasima, pri čemu je Španija jedna od najteže pogođenih zemalja.
S obzirom na ovaj scenario, na CBGP-u proučavaju na sveobuhvatan način kako biljke rastu, kako interaguju s mikroorganizmima u svom okruženju i kako reaguju na promjene u okolini kao što su povišena temperatura, produžena suša ili salinizacija poljoprivrednog tla.
Jedan od glavnih ciljeva centra je razvoj novih sorti usjeva ili odabir onih od postojećih koje su sposobne za... održavati prihvatljive prinose pod utjecajem okolišnih stresovaTo podrazumijeva ne samo tolerisanje nepovoljnih uslova, već i to bez prevelikog oslanjanja na vanjske faktore poput gnojiva i vode.
Da bi to postigli, istraživači analiziraju molekularne mehanizme koji omogućavaju određenim biljkama da bolje podnose stresove iz okoline. Oni identificiraju odbrambeni proteini, signalni putevi i ključni geni koji se aktiviraju u ekstremnim uslovima i koriste te informacije za generisanje onoga što nazivaju "dokazima koncepta".
U ovim testovima, oni stvaraju transgene biljke koje akumuliraju određene proteine ili aktiviraju specifične mehanizme tolerancije, kako bi provjerili da li one zaista poboljšavaju svoje performanse u suočavanju sa sušom, vrućinom ili salinitetom. Na taj način, Oni eksperimentalno potvrđuju koje su strategije najefikasnije. prije razmatranja primjene velikih razmjera.
Otpornije kulture: paradajz, kupusnjače i sigurnost hrane
Jedan od izvanrednih rezultata ovog pristupa bio je razvoj biljke paradajza sa visokom tolerancijom na solOvo je sve češći problem u poljoprivrednim područjima gdje navodnjavanje i intenzivno isparavanje koncentriraju soli u tlu. Tim CBGP-a razvio je transgene sorte koje su otpornije na ove nivoe soli.
Ovi otporni paradajzi su već dali povoda za Evropska patentna prijavaIdeja je proširiti tehnologiju na druge kulture koje su posebno osjetljive na salinitet, poput graška, pasulja, kukuruza ili jagoda. Ako bude uspješno, ovo bi predstavljalo ogromnu prednost u područjima gdje je voda za navodnjavanje ograničenog kvaliteta ili su tla degradirana.
Istovremeno, grupa radi na prenošenju ovih dostignuća na takozvane kupusnjače, porodicu biljaka koja uključuje kupus, brokula i ostalo neophodno povrće u ishrani. Povećanje otpornosti ovog osnovnog povrća značilo bi očuvanje vrlo važnog dijela sigurnosti hrane u neizvjesnom klimatskom okruženju.
Međutim, nije tako jednostavno kao samo uvođenje odbrambenih proteina i to je to. Mnogi od tih proteina pripadaju porodice koje također sadrže alergene u hraniOvo zahtijeva poduzimanje dodatnih mjera opreza. Nisu svi imunološki proteini alergeni, ali neki mogu izazvati reakcije kod osjetljivih osoba.
Iz tog razloga, CBGP ima specijalizirani tim za alergene koji temeljito procjenjuje ove proteine. Njihov rad se fokusira na identifikaciju Koje strukturne karakteristike čine protein potencijalnim alergenom? a koji nisu, kako bi se mogla dizajnirati sigurna biotehnološka rješenja za ljudsku upotrebu.
Ovaj rigorozni pristup je ključan kako bi inovacije u genetski modificiranim ili poboljšanim usjevima imale pravo mjesto na tržištu, garantirajući... sigurnost hrane i odgovoran razvoj novih sorti koji pomažu u rješavanju klimatskih promjena bez stvaranja dodatnih problema.
Prema žitaricama koje "dišu" dušik iz zraka
Među najambicioznijim projektima koji se provode na CBGP-u, ističe se onaj koji vodi istraživač. Luis Rubiofinansirano od strane Gates fondacije. Njegov cilj je jednako jednostavno objasniti koliko i teško postići: učiniti žitarice sposobnim za za hvatanje i metaboliziranje dušika iz zrakadrastično smanjenje ovisnosti o hemijskim gnojivima.
Za razliku od mahunarki, osnovne kulture poput riže, pšenice ili kukuruza prirodno ne formiraju tako snažne simbiotske veze s bakterijama koje fiksiraju dušik. Niti posjeduju unutarnji mehanizam za samostalnu fiksaciju N₂, budući da Nedostaje im enzim nitrogenaza koje određene bakterije posjeduju.
Rubiov tim koristi kao model bakteriju koja fiksira dušik, povezanu s pekarskim kvascem, poznatu kao Azotobacter vinelandii (često pogrešno predstavljeno u nekim medijima), sposobne za efikasnu fiksaciju dušika. Ideja je prenijeti gene uključene u fiksaciju dušika s ovih bakterija na biljke.
U laboratoriji istraživači rade na uvođenju i koordiniranoj ekspresiji ovih bakterijskih gena u biljne ćelije, s ciljem omogućavanja žitaricama da interno aktiviraju funkcionalni sistem fiksacije dušikaTo je ogroman izazov, jer je nitrogenaza vrlo složena i izuzetno osjetljiva na kisik, tako da su za njeno funkcioniranje potrebni vrlo specifični uvjeti.
Ako se taj cilj postigne, čak i djelimično, to bi moglo predstavljati revoluciju za svjetsku poljoprivredu: žitarice bi mogle same pokriti veliki dio svojih potreba za dušikom, smanjujući upotrebu sintetičkih gnojiva i, posljedično, zagađenje tla, vode i zraka povezano s njegovom proizvodnjom i primjenom.
Hemijska gnojiva i održivost poljoprivrede
Trenutno su dušična gnojiva neophodna za održavanje visokih prinosa. globalna proizvodnja žitaricaZahvaljujući njima, bilo je moguće prehraniti stalno rastuću populaciju, ali ta ovisnost ima ekološku cijenu koju je sve teže podnijeti.
Industrijska sinteza gnojiva troši velike količine energije i emituje stakleničke plinove; njihova intenzivna upotreba na polju uzrokuje zagađenje zraka emisijama dušikovih oksida i amonijakaa oticanje nosi nitrate u rijeke, vodonosnike i mora, pogodujući procesima poput eutrofikacije.
Osim toga, prekomjerna upotreba gnojiva i određene prakse upravljanja mogu ubrzati degradacija poljoprivrednog tlasmanjujući njihovu sposobnost zadržavanja vode i hranjivih tvari i zarobljavajući poljoprivrednike u začaranom krugu ovisnosti o vanjskim inputima.
Prema istraživačima iz projekta samooplodnih žitarica, značajno smanjenje upotrebe ovih gnojiva moglo bi otvoriti vrata... mnogo održivija poljoprivredaManje gnojiva znači manje emisija povezanih s njegovom proizvodnjom, manje zagađenja vode i veću šansu za oporavak degradiranog tla.
Krajnji cilj je razviti sorte riže, pšenice i kukuruza sposobne za uglavnom se samooplodekorištenjem dušika iz zraka kao primarnog izvora. Međutim, sam tim priznaje da je ovo cilj ogromne tehnološke složenosti, koji će vjerovatno zahtijevati decenije istraživanja prije nego što se primijeni u velikim razmjerima na terenu.
Najsavremenija infrastruktura: staklenici i rizotroni
Za realizaciju ovih projekata, CBGP ima kapacitete od oko 1.900 m² posvećeno uzgoju biljaka pod kontrolisanim uslovimaCentralni dio ove infrastrukture je staklenik površine oko 1.200 m² opremljen naprednim sistemima za kontrolu klime i osvjetljenja.
Ovi staklenici omogućavaju uzgoj različitih vrsta od poljoprivrednog interesa ili eksperimentalnih modela pod savršeno reguliranim uvjetima. temperatura, svjetlost, vlažnost i sastav podlogeOvo omogućava reprodukciju stresnih scenarija uzrokovanih vrućinom, sušom ili salinitetom kako bi se procijenilo ponašanje modificiranih ili odabranih biljaka.
Objekt sadrži module za zadržavanje tipa P2 posebno dizajnirane za rad s transgeničnim biljkama. Unutar ovih prostora, temperatura se može kontrolirati u širokom rasponu, otprilike između 10 i 45 ºC, nešto ključno za simuliranje toplotnih talasa ili umjereno hladnih uslova.
Osim toga, staklenik uključuje sistem automatizirano digitalno fenotipiziranje s robotima koji se kreću kroz prolaze kako bi snimali slike i podatke s biljaka. Ovaj sistem omogućava precizno i opsežno praćenje aspekata kao što su rast, status vode i ozbiljnost simptoma stresa.
Još jedan vrlo zanimljiv element infrastrukture su takozvani rizotroni, strukture sastavljene od prozirne ploče koje otkrivaju korijenov sistemZahvaljujući njima, mogu se dobiti detaljne slike korijena, izmjeriti njihov rast i debljina, te analizirati kako reaguju na različite proizvode ili uslove okoline.
Kombinacija ovih kontroliranih staklenika, robotskih sistema za analizu i rizotrona čini centar idealnim okruženjem za Testirajte nove sorte i tehnologije prije nego što proširite njihovu upotrebuNadalje, ovi objekti nisu rezervirani isključivo za interne timove: oni su također otvoreni za projekte drugih javnih i privatnih organizacija zainteresiranih za odgovor na poljoprivredne izazove budućnosti.
Sva ova istraživanja o proteinima otpornosti, simbiozama koje fiksiraju dušik i žitaricama sposobnim za korištenje atmosferskog dušika ukazuju na poljoprivredni model u kojem biljke... Oni bliže sarađuju s mikroorganizmima i sa vlastitom biologijom. proizvoditi više s manje vanjskih ulaganja. Iako će za ostvarenje mnogih od ovih ciljeva biti potrebne godine ili decenije u velikim razmjerima, svaki napredak nas približava mogućnosti usjeva koji, figurativno rečeno, "dišu" dušik iz zraka i održavaju globalne zalihe hrane na planeti pod klimatskim pritiskom.
