Turpmākajās desmitgadēs cilvēcei būs jāapgādā ar pārtiku vēl miljardiem cilvēku uz planētas, kas ir pakļauta spiedienam. ekstremāli karstuma viļņi, intensīvs sausums un degradēta augsneŅemot vērā šo scenāriju, veids, kā mēs kultivējam un izprotam augus, strauji mainās, un viena no aizraujošākajām pētījumu jomām ir tā, ko sarunvalodā sauc par "slāpekli elpojošiem augiem".
Aiz šīs pārsteidzošās idejas slēpjas gigantisks izaicinājums: panākt, lai kultūraugi spētu izmantot slāpekli no gaisa un samazināt atkarību no ķīmiskajiem mēslošanas līdzekļiemPielāgojoties siltākam, sausākam un mainīgākam klimatam, tādi vadošie centri kā Augu biotehnoloģijas un genomikas centrs (CBGP) jau ir pilnībā iesaistījušies šī izaicinājuma risināšanā, apvienojot biotehnoloģiju, ekoloģiju un ilgtspējīgu lauksaimniecību, lai nodrošinātu ilgtspējīgu pārtikas ražošanu pastāvīgi mainīgajā pasaulē.
Kāpēc slāpeklis ir tik svarīgs augiem?
Tas var izklausīties pārspīlēti, bet bez slāpekļa nebūtu dzīvības, kādu mēs to pazīstam, jo šis elements ir galvenais augu veidošanās procesā. olbaltumvielas, fermenti un pigmenti, kas nepieciešami fotosintēzeiBez atbilstoša slāpekļa avota kultūraugs nevar labi augt, ražot biomasu vai nodrošināt pieņemamu ražu.
Lai gan gaiss, ko mēs elpojam, sastāv no aptuveni 78 % slāpekļa gāze (N₂)Augi to nevar izmantot tieši. Atmosfēras slāpeklis ir ļoti stabils, un lielākajai daļai dzīvo organismu trūkst bioķīmisku rīku, lai noārdītu šo molekulu un pārveidotu to izmantojamos savienojumos, piemēram, amonija vai nitrāta.
Dabiskos apstākļos augi slāpekli galvenokārt iegūst no augsnes, proti, nitrātu (NO₃⁻) un amonija (NH₄⁺) joniŠīs barības vielas rodas organisko vielu sadalīšanās vai mikroorganismu veiktu bioloģiskās fiksācijas procesu rezultātā. Ja augsnē ir maz slāpekļa, augi cieš no hlorozes, slikti aug un to ražība strauji samazinās.
Lai kompensētu šo ierobežojumu, mūsdienu lauksaimniecība ir paļāvusies uz sintētiskajiem mēslošanas līdzekļiem, kas piegādā lielu daudzumu slāpekļa. Problēma ir tā, ka modelis ir kļuvis neilgtspējīgs augsta enerģijas patēriņa, oglekļa pēdas nospieduma un piesārņojuma dēļ augsnes, ūdens un atmosfēras bojājumi, kas saistīti ar ķīmisko mēslošanas līdzekļu pārmērīgu lietošanu.
Liela daļa pašreizējo pētījumu ir vērsti uz to, lai izprastu un labāk izmantotu dabiskās stratēģijas, ar kurām daži organismi un dažas augu un mikrobu asociācijas spēj piesaistīt atmosfēras slāpekli un padarīt to pieejamu ekosistēmām.
Bioloģiskā slāpekļa fiksācija: baktēriju triks
Lai gan augi nevar tieši izmantot slāpekļa gāzi, noteiktas baktērijas to var, pateicoties ļoti specializēts enzīms, ko sauc par nitrozāziŠis proteīns spēj sadalīt atmosfēras N₂ un pārveidot to slāpekļa savienojumos, kas laika gaitā kļūst par barības ķēdes daļu.
Šīs slāpekli fiksējošās baktērijas ir sastopamas gan brīvā vidē augsnē, gan ciešā saistībā ar noteiktu augu sugu saknēm. Dažas no tām iedzīvojas ļoti ciešas simbiotiskas attiecības ar augiem, dzīvojot īpašu struktūru iekšienē kas veidojas saknēs un nodrošina ļoti smalki noregulētu resursu apmaiņu.
Tā sauktajos simbiotiskajos slāpekli fiksējošajos augos augs uzņem baktēriju un apgādā to ar fotosintēzes ceļā iegūtajiem cukuriem, savukārt mikroorganisms atbild ar to pašu. nodrošinot “jaunu” slāpekli no atmosfērasŠī apmaiņa ir tik efektīva, ka tā var segt lielu daļu kultūraugu vajadzību un bagātināt augsni nākotnes augiem.
Kad šie ar baktērijām saistītie augi pabeidz savu dzīves ciklu un to atliekas tiek iekļautas augsnē, slāpeklis, ko tie uzkrājuši savos audos, tiek atbrīvots procesā, kas pazīstams kā slāpekļa mineralizācijaOrganiskās vielas sadalās, un organiskais slāpeklis tiek pārveidots par amoniju un nitrātu — formām, kuras citi augi var viegli absorbēt.
Tādējādi augu kopienām, kas ietver slāpekļa piesaistītājus, ir izšķiroša nozīme daudzu ekosistēmu un lauksaimniecības sistēmu dabiskā auglībasamazinot nepieciešamību piegādāt tik daudz ārējā mēslojuma.
Augi, kas "elpo" slāpekli: pākšaugi, mezgliņi un simbioze
Vispazīstamākā augu grupa, kas saistīta ar slāpekli fiksējošām baktērijām, ir pākšaugi — milzīga dzimta, kurā ietilpst ikdienas kultūras, piemēram, zirņi, pupiņas, lēcas, turku zirņi, platās pupiņas vai āboliņšŠīs sugas evolūcijas gaitā ir attīstījušas spēju veidot mezgliņus uz saknēm, lai nodrošinātu patvērumu specifiskām baktērijām.
Šajās attiecībās augs sakņu zonā emitē ķīmiskus signālus, kas piesaista noteiktas augsnes baktērijas, kas spēj piesaistīt slāpekli. Kad kontakts ir nodibināts, sāk veidoties sakne. specializētas struktūras, ko sauc par mezgliņiemkas darbojas kā mazi, aizsargāti “bioloģiskie reaktori”, kur baktērijas dzīvo un darbojas piemērotos apstākļos.
Šajos mezgliņos baktērijas piesaista atmosfēras slāpekli un pārveido to slāpekļa savienojumos, kas ieplūst augā, savukārt augs nosūta baktērijām cukurus un citus savienojumus, lai tās uzturētu aktīvas. Lai gan šie mikroorganismi neveic fotosintēzi, tie ir atkarīgi no ķīmiskā enerģija, ko augs rada saules gaismas ietekmē.
Praktiskais rezultāts ir tāds, ka kultūraugs iegūst nepārtrauktu slāpekļa avotu, neprasot tik daudz ārēju mēslošanas līdzekļu, un daļa no šī slāpekļa paliks augsnē, kad augs atmirs vai kad augu atliekas tiks iestrādātas lauksaimniecības praksē. Patiesībā, Pākšaugu atlieku sadalīšanās ievērojami bagātina augsnes slāpekļa saturu..
Šis mehānisms izskaidro, kāpēc pākšaugus bieži izmanto augsekās vai kā zaļmēslojumus: tie ne tikai ražo pārtiku, bet arī palīdz uzlabot zemes gabala auglību un atbalstīt ilgtspējīgākas lauksaimniecības sistēmas vidējā un ilgtermiņā.
Slāpekli piesaistošo augu izplatība un daudzveidība
Ar slāpekli fiksējošām baktērijām saistīto augu ekoloģiskā loma ir tik svarīga, ka vairākas zinātnieku komandas ir detalizēti pētījušas to izplatību plašā mērogā. Amerikas Savienotajās Valstīs pētnieki no dažādiem centriem, piemēram, Floridas Dabas vēstures muzejs un Luiziānas un Misisipi universitātesViņi ir analizējuši vietējo un invazīvo sugu ierakstus desmitiem vietu, lai labāk izprastu šo modeli.
No pirmā acu uzmetiena varētu šķist, ka slāpekļa nabadzīgās augsnēs vajadzētu būt lielāks augsni fiksējošu augu daudzums un daudzveidībajo tā konkurētspējas priekšrocības būtu lielākas vidē, ko ierobežo šī barības viela. Tomēr detalizēta analīze būtiski kvalificē šo šķietami loģisko ideju.
Salīdzinot dažādus reģionus, pētnieki novēroja, ka slāpekli piesaistošo augu skaits mēdz pieaugt pieaugums apgabalos, kuros augsnē ir mazāk slāpekļaTas atbilst klasiskajai hipotēzei. Taču viņi arī novēroja, ka, videi kļūstot sausākai, šo augu kopējais daudzums samazinājās.
Visspilgtākais atklājums bija tas, ka, aplūkojot vietējo slāpekļa fiksētāju daudzveidību, viņi atklāja atšķirīgu modeli: Vietējo augsni fiksējošo sugu daudzveidība ievērojami pieauga. sausie reģionineatkarīgi no augsnē esošā slāpekļa daudzuma. Tas ir, vietās, kur ūdens apstākļi ir skarbāki, vietējo slāpekli piesaistošo augu klāsts var būt ļoti plašs.
Šie rezultāti liecina, ka plašā mērogā slāpekli fiksējošo baktēriju saturošu augu izplatība ir atkarīga ne tikai no augsnes slāpekļa, bet arī no sarežģītas faktoru kombinācijas, piemēram, ūdens pieejamība, evolūcijas vēsture un augu kopienu dinamikaŠo modeļu izpratne ir būtiska, lai izstrādātu lauksaimniecības sistēmas, kas labāk piemērotas katram reģionam.
CBGP loma: augu biotehnoloģija klimata pārmaiņu apstākļos
Lai gan tiek gūti panākumi sakņu fiksējošo augu ekoloģiskajā izpratnē, tādi pētniecības centri kā Augu biotehnoloģijas un genomikas centrs (CBGP), kas saistītas ar Madrides Politehnisko universitāti, koncentrējas uz citu fronti: kultūraugu pielāgošanu ekstremālajam klimatam, ko mēs jau piedzīvojam un kas pastiprināsies turpmākajās desmitgadēs.
Prognozes liecina, ka līdz gadsimta vidum aptuveni 9.700 miljoni cilvēku uz planētas, kas ir karstāka, sausāka un pakļauta daudz biežākiem ekstremāliem laikapstākļiem. 2024. gads jau bija viens no karstākajiem vēsturē, un Eiropā desmitiem tūkstošu nāves gadījumu bija saistīti ar karstuma viļņiem, un Spānija bija viena no vissmagāk skartajām valstīm.
Ņemot vērā šo scenāriju, CBGP viņi mācās visaptverošā veidā kā augi aug, kā tie mijiedarbojas ar apkārtējās vides mikroorganismiem un kā tie reaģē uz vides izmaiņām, piemēram, paaugstinātu temperatūru, ilgstošu sausumu vai lauksaimniecības augsnes sāļošanos.
Viens no centra galvenajiem mērķiem ir izstrādāt jaunas kultūraugu šķirnes vai no esošajām atlasīt tās, kas spēj uzturēt pieņemamu ražu vides stresa apstākļosTas nozīmē ne tikai nelabvēlīgu apstākļu panesšanu, bet arī to, ka tas jādara, tik ļoti nepaļaujoties uz ārējiem faktoriem, piemēram, mēslošanas līdzekļiem un ūdeni.
Lai to panāktu, pētnieki analizē molekulāros mehānismus, kas ļauj noteiktiem augiem labāk izturēt vides stresu. Viņi identificē aizsardzības proteīni, signalizācijas ceļi un galvenie gēni kas tiek aktivizēti ekstremālos apstākļos, un izmanto šo informāciju, lai ģenerētu to, ko viņi sauc par "koncepcijas pierādījumiem".
Šajos testos viņi rada transgēnus augus, kas uzkrāj noteiktus proteīnus vai aktivizē specifiskus tolerances mehānismus, lai pārbaudītu, vai tie patiešām uzlabo savu sniegumu sausuma, karstuma vai sāļuma apstākļos. Tādā veidā, Viņi eksperimentāli apstiprina, kuras stratēģijas ir visefektīvākās. pirms liela mēroga pieteikuma izskatīšanas.
Izturīgākas kultūras: tomāti, krustziežu dzimtas augi un pārtikas nodrošinājums
Viens no šīs pieejas izcilākajiem rezultātiem ir bijusi attīstība tomātu augi ar augstu sāls toleranciŠī ir arvien biežāk sastopama problēma lauksaimniecības apgabalos, kur apūdeņošana un intensīva iztvaikošana koncentrē sāļus augsnē. CBGP komanda ir izstrādājusi transgēnas šķirnes, kas ir izturīgākas pret šiem sāls līmeņiem.
Šie izturīgie tomāti jau ir devuši ražu Eiropas patenta pieteikumsIdeja ir paplašināt tehnoloģiju uz citām kultūrām, kas ir īpaši jutīgas pret sāļumu, piemēram, zirņiem, pupiņām, kukurūzu vai zemenēm. Ja tas izdosies, tas sniegs milzīgu priekšrocību apgabalos, kur apūdeņošanas ūdens kvalitāte ir ierobežota vai augsne ir degradēta.
Vienlaikus grupa strādā pie šo sasniegumu pārnešanas uz tā sauktajiem krustziežu dzimtas augiem, kas ietver kāposti, brokoļi un citi svarīgi dārzeņi uzturā. Šo pamatdārzeņu noturības palielināšana nozīmētu ļoti svarīgas pārtikas nodrošinājuma daļas saglabāšanu nenoteiktā klimata vidē.
Tomēr tas nav tik vienkārši kā tikai ieviest aizsardzības proteīnus, un viss. Daudzi no šiem proteīniem pieder pie ģimenes, kurās ir arī pārtikas alergēniTas liek ievērot papildu piesardzības pasākumus. Ne visi imūnproteīni ir alergēni, bet daži var izraisīt reakcijas jutīgiem cilvēkiem.
Šī iemesla dēļ CBGP ir specializēta alergēnu komanda, kas rūpīgi izvērtē šos proteīnus. Viņu darbs ir vērsts uz to identificēšanu Kādas strukturālas īpašības padara olbaltumvielu par potenciālu alergēnu? un kuras nav, lai varētu izstrādāt drošus biotehnoloģiskus risinājumus lietošanai pārtikā.
Šī stingrā pieeja ir būtiska, lai ģenētiski modificētu vai uzlabotu kultūraugu inovācijām būtu reāla vieta tirgū, garantējot pārtikas nekaitīgums un atbildīga jaunu šķirņu attīstība kas palīdzētu risināt klimata pārmaiņu problēmu, neradot papildu problēmas.
Virzienā uz graudaugiem, kas “elpo” slāpekli no gaisa
Starp vērienīgākajiem CBGP īstenotajiem projektiem izceļas pētnieka vadītais. Luiss Rubiofinansē Geitsa fonds. Tā mērķis ir tikpat vienkārši izskaidrojams, cik grūti sasniedzams: padarīt graudaugus spējīgus uztvert un metabolizēt slāpekli no gaisaievērojami samazinot atkarību no ķīmiskajiem mēslošanas līdzekļiem.
Atšķirībā no pākšaugiem, tādi pamataugi kā rīsi, kvieši vai kukurūza dabiski neveido tik spēcīgas simbiotiskas saistības ar slāpekli fiksējošām baktērijām. Tiem arī nav iekšēja mehānisma, lai paši piesaistītu N₂, jo Viņiem trūkst nitrogenāzes enzīma kas piemīt noteiktām baktērijām.
Rubio komanda kā modeli izmanto slāpekli fiksējošu baktēriju, kas saistīta ar maizes raugu, kas pazīstama kā Azotobacter vinelandii (dažos plašsaziņas līdzekļos bieži vien nepareizi attēlots), kas spēj efektīvi piesaistīt slāpekli. Ideja ir pārnest slāpekļa piesaistē iesaistītos gēnus no šīm baktērijām uz augiem.
Laboratorijā pētnieki strādā pie šo baktēriju gēnu ieviešanas un koordinētas ekspresijas augu šūnās, lai graudaugi varētu iekšēji aktivizēt funkcionālu slāpekļa fiksācijas sistēmuTas ir milzīgs izaicinājums, jo nitrogenāze ir ļoti sarežģīta un ārkārtīgi jutīga pret skābekli, tāpēc tās darbībai nepieciešami ļoti specifiski apstākļi.
Ja šis mērķis tiks sasniegts, kaut vai daļēji, tas varētu nozīmēt revolūciju pasaules lauksaimniecībā: graudaugi varētu pašas segt lielu daļu no savām slāpekļa vajadzībām, samazinot sintētisko mēslošanas līdzekļu izmantošanu un līdz ar to arī... ar tā ražošanu un izmantošanu saistītais augsnes, ūdens un gaisa piesārņojums.
Ķīmiskie mēslošanas līdzekļi un lauksaimniecības ilgtspējība
Pašlaik slāpekļa mēslojums ir nepieciešams, lai saglabātu augstu ražu. globālā labības ražošanaPateicoties viņiem, ir bijis iespējams pabarot pastāvīgi pieaugošu iedzīvotāju skaitu, taču šī atkarība rada vides izmaksas, kuras ir arvien grūtāk panest.
Mēslošanas līdzekļu rūpnieciskā sintēze patērē lielu enerģijas daudzumu un rada siltumnīcefekta gāzu emisijas; to intensīva izmantošana lauksaimniecībā rada gaisa piesārņojums no slāpekļa oksīdu un amonjaka emisijāmun notece pārnes nitrātus uz upēm, ūdens nesējslāņiem un jūrām, veicinot tādus procesus kā eitrofikācija.
Turklāt pārmērīga mēslošanas līdzekļu lietošana un noteiktas apsaimniekošanas prakses var paātrināt lauksaimniecības augsnes degradācijasamazinot to spēju saglabāt ūdeni un barības vielas un iesprostojot lauksaimniekus apburtajā atkarības lokā no ārējiem resursiem.
Pēc pašapaugļojošo graudaugu projekta pētnieku domām, ievērojama šo mēslošanas līdzekļu lietošanas samazināšana varētu pavērt durvis uz daudz ilgtspējīgāka lauksaimniecībaMazāk mēslojuma nozīmē mazāk ar tā ražošanu saistītu emisiju, mazāku ūdens piesārņojumu un lielākas iespējas atjaunot degradētas augsnes.
Galvenais mērķis ir izstrādāt rīsu, kviešu un kukurūzas šķirnes, kas spēj lielā mērā pašapaugļojasizmantojot gaisa slāpekli kā galveno avotu. Tomēr pati komanda atzīst, ka šis ir ārkārtīgi tehnoloģiski sarežģīts mērķis, kura īstenošanai plašā mērogā, visticamāk, būs nepieciešami gadu desmitiem ilgi pētījumi.
Mūsdienīga infrastruktūra: siltumnīcas un rizotroni
Lai īstenotu šos projektus, CBGP rīcībā ir aptuveni 1.900 m² platība, kas paredzēta augu audzēšanai kontrolētos apstākļosŠīs infrastruktūras centrālais elements ir aptuveni 1.200 m² liela siltumnīca, kas aprīkota ar modernām klimata kontroles un apgaismojuma sistēmām.
Šīs siltumnīcas ļauj kultivēt dažādas lauksaimniecībā nozīmīgas sugas vai eksperimentālus modeļus perfekti regulētos apstākļos. temperatūra, gaisma, mitrums un substrāta sastāvsTas ļauj reproducēt stresa scenārijus, ko izraisa karstums, sausums vai sāļums, lai novērtētu modificētu vai atlasītu augu uzvedību.
Iekārtā ir P2 tipa ierobežošanas moduļi, kas īpaši paredzēti darbam ar transgēniem augiem. Šajās telpās temperatūru var kontrolēt plašā diapazonā, aptuveni no 10 un 45 ºC, kaut kas svarīgs karstuma viļņu vai mēreni aukstu apstākļu simulēšanai.
Turklāt siltumnīcā ir iekļauta sistēma, automatizēta digitālā fenotipēšana ar robotiem, kas pārvietojas pa ejām, lai uztvertu augu attēlus un datus. Šī sistēma ļauj precīzi un plašā mērogā uzraudzīt tādus aspektus kā augšana, ūdens stāvoklis un stresa simptomu smagums.
Vēl viens ļoti interesants infrastruktūras elements ir tā sauktie rizotroni — struktūras, kas sastāv no caurspīdīgas plāksnes, kas atklāj sakņu sistēmuPateicoties tiem, var iegūt detalizētus sakņu attēlus, izmērīt to augšanu un biezumu, kā arī analizēt, kā tās reaģē uz dažādiem produktiem vai vides apstākļiem.
Šo kontrolēto siltumnīcu, robotizēto analīzes sistēmu un rizotronu kombinācija padara centru par ideālu vidi Pirms plašākas izmantošanas pārbaudiet jaunas šķirnes un tehnoloģijasTurklāt šīs telpas nav paredzētas tikai iekšējām komandām: tās ir atvērtas arī citu publisku un privātu organizāciju projektiem, kas ir ieinteresētas risināt nākotnes lauksaimniecības izaicinājumus.
Visi šie pētījumi par rezistences proteīniem, slāpekli fiksējošām simbiozēm un graudaugiem, kas spēj izmantot atmosfēras slāpekli, norāda uz lauksaimniecības modeli, kurā augi Viņi ciešāk sadarbojas ar mikroorganismiem un savu bioloģiju. lai ražotu vairāk ar mazāku ārējo ieguldījumu. Lai gan daudzi no šiem mērķiem plašā mērogā prasīs gadus vai gadu desmitus, katrs progress mūs nedaudz tuvina iespējai audzēt kultūraugus, kas, tēlaini runājot, "elpo" slāpekli no gaisa un uztur globālos pārtikas krājumus planētā, kas atrodas klimata spiediena ietekmē.
