U nadolazećim desetljećima čovječanstvo će morati prehraniti milijarde ljudi na planetu pod pritiskom. ekstremni toplinski valovi, intenzivne suše i degradirana tlaS obzirom na ovaj scenarij, način na koji uzgajamo i razumijemo biljke brzo se mijenja, a jedno od najfascinantnijih područja istraživanja je ono što se kolokvijalno naziva "biljkama koje dišu dušik".
Iza ove upečatljive ideje krije se ogroman izazov: postići da usjevi budu u mogućnosti 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 angažirani u ovom izazovu, kombinirajući 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 potrebni za fotosintezuBez dovoljnog 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 izravno koristiti. Atmosferski dušik je vrlo stabilan, a većini živih bića nedostaju biokemijski alati za razgradnju ove molekule i njezinu transformaciju u upotrebljive spojeve poput amonijaka ili nitrata.
U prirodnim uvjetima, biljke dobivaju dušik uglavnom iz tla, u obliku nitratni (NO₃⁻) i amonijevi (NH₄⁺) ioniOve hranjive tvari potječu iz razgradnje organske tvari ili iz procesa biološke fiksacije koje provode mikroorganizmi. Kada je tlo siromašno dušikom, biljke pate od kloroze, slabo rastu i njihova produktivnost naglo opada.
Kako bi se kompenziralo ovo ograničenje, moderna poljoprivreda oslanja se na sintetička gnojiva koja osiguravaju velike količine dušika. Problem je u tome što je model postao neodrživo zbog visoke potrošnje energije, ugljičnog otiska i zagađenja tla, vode i atmosfere povezane s prekomjernom upotrebom kemijskih gnojiva.
Velik dio trenutnih istraživanja usmjeren je na razumijevanje i bolje iskorištavanje prirodnih strategija kojima neki organizmi i neke biljno-mikrobne zajednice mogu fiksirati atmosferski dušik i učiniti ga dostupnim ekosustavima.
Biološka fiksacija dušika: trik bakterija
Dok biljke ne mogu izravno koristiti dušikov plin, određene bakterije mogu, zahvaljujući visoko specijalizirani enzim nazvan nitrogenazaOvaj protein je sposoban razgraditi atmosferski N₂ i transformirati ga u dušične spojeve koji s vremenom postaju dio hranidbenog lanca.
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 bliski simbiotski odnosi s biljkama, život unutar posebnih struktura koji se formiraju u korijenju i omogućuju vrlo fino podešenu razmjenu resursa.
U takozvanim simbiotskim biljkama koje fiksiraju dušik, biljka je domaćin bakteriji i opskrbljuje je šećerima dobivenim fotosintezom, dok mikroorganizam uzvraća uslugu. osiguravanje „novog“ dušika iz atmosfereOva razmjena je toliko učinkovita 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 procesom poznatim kao mineralizacija dušikaOrganska tvar se razgrađuje, a organski dušik se pretvara u amonij i nitrat, oblike koje druge biljke mogu lako apsorbirati.
Dakle, biljne zajednice koje uključuju fiksatore dušika igraju ključnu ulogu u prirodna plodnost mnogih ekosustava i poljoprivrednih sustavasmanjenje potrebe za opskrbom tolikom količinom vanjskog gnojiva.
Biljke koje "dišu" dušik: mahunarke, kvržice i simbioza
Najpoznatija skupina biljaka povezanih s bakterijama koje fiksiraju dušik su mahunarke, ogromna porodica koja uključuje svakodnevne kulture kao što su grašak, grah, leća, slanutak, bob ili djetelinaOve vrste su tijekom evolucije razvile sposobnost stvaranja kvržica na korijenju kako bi pružile sklonište specifičnim bakterijama.
U tom odnosu, biljka emitira kemijske signale u korijenovu zonu koji privlače određene bakterije u tlu 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 u odgovarajućim uvjetima.
Unutar tih kvržica, bakterije fiksiraju atmosferski dušik i pretvaraju ga u dušične spojeve koji teku u biljku, dok biljka šalje šećere i druge spojeve bakterijama kako bi ih održala aktivnima. Iako ovi mikroorganizmi ne provode fotosintezu, ovise o kemijska energija koju biljka stvara zahvaljujući sunčevoj svjetlosti.
Praktični rezultat je da usjev dobiva kontinuirani izvor dušika bez potrebe za toliko vanjskih gnojiva, a dio tog dušika ostat će u tlu kada biljka ugine ili kada se biljni ostaci ugrade u tlo poljoprivrednim praksama. Zapravo, 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 sustave srednjoročno i dugoročno.
Rasprostranjenost i raznolikost biljaka koje fiksiraju dušik
Ekološka uloga biljaka povezanih s bakterijama koje fiksiraju dušik toliko je važna da je nekoliko znanstvenih timova detaljno proučavalo njihovu rasprostranjenost na velikim razmjerima. U Sjedinjenim Državama, istraživači iz raznih centara, kao što su Prirodoslovni muzej Floride i sveučilišta u Louisiani i MississippijuAnalizirali su zapise o domaćim i invazivnim vrstama na desecima lokacija kako bi bolje razumjeli ovaj obrazac.
Na prvi pogled, moglo bi se pomisliti da bi u tlima siromašnim dušikom trebalo biti veća obilnost i raznolikost biljaka koje učvršćuju tlobudući da bi njegova konkurentska prednost bila veća u okruženjima ograničenim ovim hranjivim tvarima. Međutim, detaljna analiza značajno kvalificira ovu naizgled logičnu ideju.
Prilikom usporedbe različitih regija, istraživači su primijetili da je broj biljaka koje fiksiraju dušik imao tendenciju povećanje područja s manje dostupnog dušika u tluTo se uklapa u klasičnu hipotezu. Ali također su primijetili da se, kako su okoliši postajali suši, ukupna prisutnost tih biljaka smanjivala.
Najupečatljiviji nalaz bio je da su, kada su promatrali raznolikost domaćih fiksatora dušika, otkrili drugačiji obrazac: Raznolikost autohtonih 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 autohtonih biljaka koje fiksiraju dušik može biti vrlo širok.
Ovi rezultati pokazuju da, u velikim razmjerima, rasprostranjenost biljaka koje sadrže bakterije koje fiksiraju dušik ovisi ne samo o dušiku u tlu, već i o složenoj kombinaciji čimbenika kao što su dostupnost vode, evolucijska povijest i dinamika biljnih zajednicaRazumijevanje ovih obrazaca ključno je za osmišljavanje poljoprivrednih sustava koji su bolje prilagođeni svakoj regiji.
Uloga CBGP-a: biljna biotehnologija u suočavanju s klimatskim promjenama
Iako se postiže napredak u ekološkom razumijevanju biljaka koje učvršćuju korijenje, istraživački centri poput Centar za biljnu biotehnologiju i genomiku (CBGP), povezani s Politehničkim sveučilištem u Madridu, usredotočuju se na drugo područje: prilagodbu usjeva ekstremnoj klimi koju već doživljavamo i koja će se intenzivirati u nadolazećim desetljećima.
Prognoze pokazuju da će do sredine stoljeća otprilike 9.700 milijuna ljudi na planetu koji je topliji, suši i podložan mnogo češćim ekstremnim vremenskim događajima. Godina 2024. već je bila jedna od najtoplijih u povijesti mjerenja, a u Europi su deseci tisuća smrtnih slučajeva povezani s toplinskim valovima, a Španjolska je jedna od najteže pogođenih zemalja.
S obzirom na ovaj scenarij, na CBGP-u proučavaju na sveobuhvatan način kako biljke rastu, kako djeluju na mikroorganizme u svom okruženju i kako reagiraju na promjene u okolišu poput povišene temperature, dugotrajne suše ili zaslanjivanja poljoprivrednih tala.
Jedan od glavnih ciljeva centra je razvoj novih sorti usjeva ili odabir onih između postojećih koje su sposobne za... održavati prihvatljive prinose pod utjecajem okolišnih stresovaTo podrazumijeva ne samo toleriranje nepovoljnih uvjeta, već i to bez prevelikog oslanjanja na vanjske čimbenike poput gnojiva i vode.
Kako bi to postigli, istraživači analiziraju molekularne mehanizme koji omogućuju određenim biljkama da bolje podnose stresove iz okoliša. Identificiraju obrambeni proteini, signalni putevi i ključni geni koji se aktiviraju u ekstremnim uvjetima i koriste te informacije za generiranje onoga što nazivaju "dokazima koncepta".
U tim testovima stvaraju transgene biljke koje akumuliraju određene proteine ili aktiviraju specifične mehanizme tolerancije kako bi provjerili poboljšavaju li one zapravo svoje performanse u suočavanju sa sušom, vrućinom ili slanošću. Na taj način, Eksperimentalno potvrđuju koje su strategije najučinkovitije. prije razmatranja primjene velikih razmjera.
Otpornije kulture: rajčice, kupusnjače i sigurnost hrane
Jedan od izvanrednih rezultata ovog pristupa bio je razvoj biljke rajčice s 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 te razine soli.
Ove otporne rajčice već su dale poticaj Europska patentna prijavaIdeja je proširiti tehnologiju na druge kulture koje su posebno osjetljive na slanost, poput graška, graha, kukuruza ili jagoda. Ako bude uspješno, to bi predstavljalo ogromnu prednost u područjima gdje je voda za navodnjavanje ograničene kvalitete ili su tla degradirana.
Istovremeno, grupa radi na prenošenju tih napredaka na takozvane kupusnjače, porodicu biljaka koja uključuje kupus, brokula i ostalo esencijalno povrće u prehrani. Povećanje otpornosti ovog osnovnog povrća značilo bi zaštitu vrlo važnog dijela sigurnosti hrane u neizvjesnom klimatskom okruženju.
Međutim, nije tako jednostavno kao samo uvođenje obrambenih proteina i to je to. Mnogi od tih proteina pripadaju obitelji koje također sadrže alergene u hraniTo zahtijeva poduzimanje dodatnih mjera opreza. Nisu svi imunološki proteini alergeni, ali neki mogu izazvati reakcije kod osjetljivih osoba.
Zbog toga, CBGP ima specijalizirani tim za alergene koji temeljito procjenjuje te proteine. Njihov rad usmjeren je na identifikaciju Koje strukturne karakteristike čine protein potencijalnim alergenom? a koji nisu, kako bi se mogla osmisliti sigurna biotehnološka rješenja za ljudsku prehranu.
Ovaj rigorozni pristup ključan je kako bi inovacije u genetski modificiranim ili poboljšanim usjevima imale stvarno mjesto na tržištu, jamčeći 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 Rubiofinancira ga Zaklada Gates. Njegov je cilj jednako jednostavan za objasniti koliko i teško postići: učiniti žitarice sposobnima za hvatati i metabolizirati dušik iz zrakadrastično smanjenje ovisnosti o kemijskim 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), sposobno učinkovito fiksirati dušik. Ideja je prenijeti gene uključene u fiksaciju dušika s tih bakterija na biljke.
U laboratoriju istraživači rade na uvođenju i koordiniranoj ekspresiji ovih bakterijskih gena u biljne stanice, s ciljem omogućavanja žitaricama da interno aktiviraju funkcionalni sustav fiksacije dušikaTo je ogroman izazov, jer je nitrogenaza vrlo složena i izuzetno osjetljiva na kisik, pa su za funkcioniranje potrebni vrlo specifični uvjeti.
Ako se taj cilj postigne, čak i djelomično, 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, onečišćenje tla, vode i zraka povezano s njegovom proizvodnjom i primjenom.
Kemijska 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 emitira stakleničke plinove; njihova intenzivna upotreba na polju uzrokuje onečišćenje zraka emisijama dušikovih oksida i amonijakaa otjecanje 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 te zarobljavajući poljoprivrednike u začaranom krugu ovisnosti o vanjskim inputima.
Prema istraživačima iz projekta samooplodnih žitarica, značajno smanjenje upotrebe ovih gnojiva moglo bi otvoriti vrata... puno održivija poljoprivredaManje gnojiva znači manje emisija povezanih s njegovom proizvodnjom, manje onečišćenja vode i veću šansu za oporavak degradiranih tala.
Krajnji cilj je razviti sorte riže, pšenice i kukuruza sposobne za uglavnom se samooprašujukorištenjem dušika iz zraka kao primarnog izvora. Međutim, sam tim priznaje da je to cilj ogromne tehnološke složenosti, koji će vjerojatno zahtijevati desetljeća istraživanja prije nego što se primijeni u velikim razmjerima na terenu.
Najsuvremenija infrastruktura: staklenici i rizotroni
Za provedbu ovih projekata, CBGP ima kapacitete od oko 1.900 m² namijenjeno uzgoju biljaka u kontroliranim uvjetimaSredišnji dio ove infrastrukture je staklenik površine oko 1.200 m² opremljen naprednim sustavima kontrole klime i rasvjete.
Ovi staklenici omogućuju uzgoj različitih vrsta od poljoprivrednog interesa ili eksperimentalnih modela u savršeno reguliranim uvjetima temperatura, svjetlost, vlažnost i sastav podlogeTo omogućuje reprodukciju stresnih scenarija uzrokovanih vrućinom, sušom ili salinitetom kako bi se procijenilo ponašanje modificiranih ili odabranih biljaka.
Objekt ima module za zadržavanje tipa P2 posebno dizajnirane za rad s transgeničnim biljkama. Unutar tih prostora temperatura se može kontrolirati u širokom rasponu, otprilike između 10 i 45 ºC, nešto ključno za simuliranje toplinskih valova ili umjereno hladnih uvjeta.
Osim toga, staklenik uključuje sustav automatizirano digitalno fenotipiziranje s robotima koji se kreću kroz prolaze kako bi snimali slike i podatke s biljaka. Ovaj sustav omogućuje precizno i opsežno praćenje aspekata kao što su rast, stanje vode i ozbiljnost simptoma stresa.
Još jedan vrlo zanimljiv element infrastrukture su takozvani rizotroni, strukture sastavljene od prozirne ploče koje otkrivaju korijenski sustavZahvaljujući njima mogu se dobiti detaljne slike korijena, izmjeriti njihov rast i debljina te analizirati kako reagiraju na različite proizvode ili uvjete okoline.
Kombinacija ovih kontroliranih staklenika, robotskih sustava za analizu i rizotrona čini centar idealnim okruženjem za Testirajte nove sorte i tehnologije prije povećanja njihove upotrebeNadalje, ovi objekti nisu rezervirani isključivo za interne timove: otvoreni su i za projekte drugih javnih i privatnih organizacija zainteresiranih za odgovor na poljoprivredne izazove budućnosti.
Sva ova istraživanja proteina otpornosti, simbioza koje fiksiraju dušik i žitarica sposobnih za korištenje atmosferskog dušika upućuju na poljoprivredni model u kojem biljke Oni bliže surađuju s mikroorganizmima i sa svojom vlastitom biologijom. proizvoditi više s manje vanjskih ulaganja. Iako će za ostvarenje mnogih od ovih ciljeva trebati godine ili desetljeća u velikim razmjerima, svaki napredak nas malo više približava mogućnosti usjeva koji, figurativno rečeno, „dišu“ dušik iz zraka i održavaju globalne zalihe hrane na planetu pod klimatskim pritiskom.
