Pomoc uprawom w pozyskiwaniu azotu z powietrza może być zrównoważonym rozwiązaniem pozwalającym zaspokoić zapotrzebowanie roślin na składniki odżywcze przy użyciu mniejszej ilości nawozów syntetycznych.

Przeczytaj także

Kolumbia otwiera możliwości eksportu małych przeżuwaczy

Kanadyjscy hodowcy owiec i kóz mają większy dostęp do rynków eksportowych dzięki niedawnemu zezwoleniu na wysyłkę mrożonego nasienia do…

Zespół bakteriologów i naukowców zajmujących się roślinami z Uniwersytetu Wisconsin-Madison napisał artykuł, w którym omawia możliwość wykorzystania inżynierii genetycznej w celu ułatwienia wzajemnych relacji między roślinami a drobnoustrojami wiążącymi azot, zwanymi diazotrofami.

Zaprojektowanie takich związków pomogłoby uprawom w pozyskiwaniu azotu z powietrza poprzez naśladowanie mutualizmu między roślinami strączkowymi a bakteriami wiążącymi azot.

Diazotrofy to gatunki bakterii glebowych i archeonów, które w naturalny sposób „wiążą” azot atmosferyczny w amon, źródło wykorzystywane przez rośliny. Niektóre z tych drobnoustrojów nawiązały wzajemne relacje z roślinami, w ramach których rośliny zapewniają im źródło węgla i bezpieczny dom o niskiej zawartości tlenu, a w zamian dostarczają roślinom azot.

Na przykład rośliny strączkowe gromadzą drobnoustroje wiążące azot w małych guzkach na korzeniach.

Jednakże te mutualizmy występują jedynie w przypadku niewielkiej liczby roślin i niewielkiej liczby gatunków roślin uprawnych. Gdyby więcej roślin było w stanie tworzyć skojarzenia ze środkami wiążącymi azot, zmniejszyłoby to zapotrzebowanie na syntetyczne nawozy azotowe, ale tego rodzaju relacje ewoluują w sposób naturalny przez eony.

Sposób zwiększenia wiązania azotu w uprawach innych niż rośliny strączkowe stanowi ciągłe wyzwanie w rolnictwie. Zaproponowano kilka różnych metod, w tym genetyczną modyfikację roślin tak, aby same wytwarzały azotazę, enzym używany przez utrwalacze azotu do przekształcania azotu atmosferycznego w amon, lub inżynierię roślin innych niż rośliny strączkowe w celu wytworzenia brodawek korzeniowych.

Alternatywna metoda — będąca tematem przeglądu — obejmowałaby inżynierię roślin i drobnoustrojów wiążących azot w celu ułatwienia wzajemnych skojarzeń. Zasadniczo rośliny zostałyby zaprojektowane tak, aby były lepszymi żywicielami, a drobnoustroje zostałyby zaprojektowane tak, aby łatwiej uwalniały związany azot, gdy napotkają cząsteczki wydzielane przez zmodyfikowanych roślin żywicielskich.

„Ponieważ wolno żyjące lub asocjacyjne diazotrofy nie dzielą się altruistycznie związanym azotem z roślinami, należy nimi manipulować, aby uwolnić związany azot, aby rośliny miały do ​​niego dostęp” – piszą autorzy.

Podejście opierałoby się na dwukierunkowej sygnalizacji między roślinami a drobnoustrojami, co już zachodzi w sposób naturalny. Mikroorganizmy mają chemoreceptory, które pozwalają im wyczuwać metabolity wydzielane przez rośliny do gleby, podczas gdy rośliny są w stanie wyczuwać wzorce molekularne związane z drobnoustrojami i hormony roślinne wydzielane przez drobnoustroje.

Te ścieżki sygnalizacyjne można ulepszyć za pomocą inżynierii genetycznej, aby komunikacja między parami zmodyfikowanych roślin i drobnoustrojów była bardziej specyficzna.

Autorzy omawiają także sposoby zwiększenia efektywności tych zaprojektowanych relacji. Ponieważ wiązanie azotu jest procesem energochłonnym, przydatne byłoby, aby drobnoustroje mogły regulować wiązanie azotu i wytwarzać amoniak tylko wtedy, gdy jest to konieczne.

Wiele drobnoustrojów wiążących azot może zapewnić roślinom dodatkowe korzyści wykraczające poza wiązanie azotu, w tym promowanie wzrostu i tolerancję na stres. Autorzy twierdzą, że przyszłe badania powinny skupiać się na „ułożeniu” tych licznych korzyści.

Autorzy przyznają, że modyfikacja genetyczna jest złożona, a wykorzystanie organizmów genetycznie zmodyfikowanych na szeroką skalę w rolnictwie wymaga akceptacji społecznej.

Istnieje również kwestia ochrony biologicznej. Ponieważ drobnoustroje łatwo wymieniają materiał genetyczny w obrębie gatunku i pomiędzy gatunkami, konieczne będą środki zapobiegające rozprzestrzenianiu się materiału transgenicznego na rodzime drobnoustroje w otaczających ekosystemach.

W laboratorium opracowano kilka takich metod ochrony biologicznej, na przykład inżynieria drobnoustrojów w taki sposób, aby opierały się na cząsteczkach, które nie są naturalnie dostępne, co oznacza, że ​​będą ograniczone do pól, na których występują zmodyfikowane rośliny żywicielskie, lub okablowanie drobnoustroje z „wyłącznikami zabijania”.

Autorzy sugerują, że te środki kontroli mogą być skuteczniejsze, jeśli będą warstwowe, ponieważ każdy środek ma swoje ograniczenia, i podkreślają potrzebę testowania zmodyfikowanych mutualizmów roślina-mikrob w zmiennych warunkach polowych, w których uprawia się rośliny, a nie w środowiskach kontrolowanych takie jak szklarnie.