Forskere har vist at det genetiske maskineriet som er ansvarlig for biologisk nitrogenfiksering kan overføres til nye bakteriestammer, noe som gir en klarere forståelse av hvordan denne avgjørende landbruksegenskapen sprer seg i naturen og potensielt åpner nye veier for å redusere landbrukets avhengighet av syntetisk nitrogengjødsel.
Funnene, publisert iNåværende biologi28. mai, fokus på ville rhizobia-jordbakterier som danner symbiotiske forhold med belgfrukter som erter og bønner. Disse bakteriene omdanner atmosfærisk nitrogen til former planter kan bruke, slik at belgfrukter kan vokse med lite eller ingen ekstern nitrogengjødsel. Forskere sier at studien kaster lys over hvordan genene som styrer denne symbiosen kan erverves av bakterielinjer som tidligere manglet evnen, et viktig skritt mot å utvide biologisk nitrogenfiksering til andre avlinger.
Forstå det genetiske grunnlaget for symbiose
Studien, ledet av Angeliqua P. Montoya og kolleger, undersøkte den evolusjonære genomikken til nylig fremvoksende endosymbiotiske forhold i vill rhizobia. Ved å spore hvordan nitrogen-fikserende gener beveger seg mellom bakteriepopulasjoner, var forskerne i stand til å identifisere genetiske veier som gjør det mulig for bakterier å etablere vellykkede partnerskap med planter.
Nitrogenfiksering i belgfrukter avhenger av spesialiserte rotknuter, der rhizobia mottar karbohydrater fra vertsplanten i bytte mot biologisk fiksert nitrogen. Selv om dette forholdet har utviklet seg naturlig over millioner av år, har forskere lenge søkt etter måter å gjenskape lignende systemer i ikke-belgfrukter.
Forskningen gir nye bevis på at de genetiske egenskapene som kreves for symbiose kan spre seg på tvers av bakterielinjer, noe som tyder på at utviklingen av nitrogenfikserende-partnerskap kan være mer fleksibel enn tidligere forstått. Slike funn kan hjelpe forskere med å identifisere de genetiske forutsetningene som trengs for å etablere lignende forhold i bakterier assosiert med kornavlinger.
Hvorfor gjennombruddet er viktig for gjødselmarkedene
Betydningen av biologisk nitrogenfiksering strekker seg langt utover plantebiologien. De fleste av verdens viktigste hovedvekster-inkludert hvete, mais og ris-kan ikke fikse atmosfærisk nitrogen og er derfor sterkt avhengig av nitrogengjødsel produsert gjennom Haber-Bosch-prosessen.
Produksjonen av ammoniakk, grunnlaget for nitrogengjødsel, er en av de mest energiintensive-industrielle prosessene globalt og er fortsatt svært utsatt for naturgasskostnader, geopolitiske forstyrrelser og handelsrestriksjoner. Nylig volatilitet i gjødselmarkedene, inkludert forsyningsproblemer knyttet til fraktruter i Midtøsten og eksportkontroller fra store produserende land, har fornyet interessen for teknologier som kan redusere avhengigheten av syntetisk nitrogen.
Hvis kornavlinger kunne oppnå en meningsfull andel av nitrogenbehovet gjennom biologisk fiksering, kan de langsiktige implikasjonene for gjødseletterspørselen være betydelige. Selv om en slik overgang fortsatt er fjern, har den tiltrukket seg betydelige investeringer fra bioteknologiselskaper i landbruket, utviklere av biologiske input og store avlings-næringsleverandører som søker mer bærekraftige løsninger for-næringshåndtering.
Bygger på tidligere fremskritt
Den nye studien legger til en voksende mengde forskning som tar sikte på å forstå de molekylære mekanismene som styrer plante-mikrobesymbiose. Tidligere undersøkelser har identifisert spesifikke planteproteiner, signalveier og kalsium-mediert respons som avgjør om planter aksepterer eller avviser nitrogen-fikserende bakterier.
Forskere har allerede demonstrert bevis-på-konseptmodifikasjoner i modellplanter og enkelte kornarter, inkludert bygg, som viser at komponenter i det symbiotiske signalnettverket kan manipuleres. Å oppnå pålitelig og økonomisk meningsfull nitrogenfiksering i store kornavlinger er imidlertid fortsatt et av de mest ambisiøse målene innen landbruksvitenskap.
De nåværende biologifunnene gir et komplementært perspektiv ved å fokusere på den mikrobielle siden av forholdet, og avsløre hvordan nitrogen-fikserende evner oppstår og spres blant bakteriepopulasjoner i naturlige miljøer.
Kommersiell distribusjon er fortsatt år unna
Til tross for den vitenskapelige fremgangen, advarer forskere om at praktiske landbruksapplikasjoner fortsatt er et langsiktig-mål. Å demonstrere genoverføring og symbiotisk evne i ville bakteriesystemer representerer en viktig vitenskapelig milepæl, men det gjenstår betydelige utfordringer før slike funn kan omsettes til kommersielle produkter.
Den biologiske gjødselsektoren har tiltrukket seg betydelig risikokapital og bedriftsinvesteringer det siste tiåret, men industrien har også opplevd tilbakeslag ettersom selskaper sliter med å konsekvent reprodusere laboratorieresultater under feltforhold. Å oppnå stabil kolonisering, tilstrekkelig nitrogenfikseringshastighet og økonomisk avkastning for dyrkere er fortsatt en kompleks utfordring.
Som et resultat vil de siste funnene neppe ha noen umiddelbar innvirkning på etterspørselen etter gjødsel. I stedet bidrar de til et voksende vitenskapelig grunnlag som til slutt kan støtte utviklingen av neste-generasjons mikrobielle teknologier designet for å supplere eller delvis erstatte syntetiske nitrogenapplikasjoner.
Neste steg for forskere
Den neste forskningsfasen vil fokusere på om de genetiske mekanismene identifisert i vill rhizobia kan introduseres i bakteriearter som naturlig assosieres med kornavlingsrøtter. Forskere må deretter finne ut om disse konstruerte mikrobielle samfunnene kan gi nok biologisk fiksert nitrogen til å levere målbare agronomiske fordeler under kommersielle oppdrettsforhold.
Suksess vil representere et stort skifte i avlingsernæring, som potensielt gjør det mulig for bøndene å redusere bruken av gjødsel og samtidig opprettholde avlingene. Foreløpig er imidlertid arbeidet et tidlig, men bemerkelsesverdig skritt mot et av landbrukets mest ettertraktede-mål: å gi store kornavlinger tilgang til nitrogen gjennom biologiske partnerskap i stedet for å stole helt på produsert gjødsel.
