Penyelidik telah menunjukkan bahawa jentera genetik yang bertanggungjawab untuk penetapan nitrogen biologi boleh dipindahkan ke dalam strain bakteria baharu, memberikan pemahaman yang lebih jelas tentang cara sifat pertanian penting ini merebak dalam alam semula jadi dan berpotensi membuka jalan baharu untuk mengurangkan pergantungan pertanian pada baja nitrogen sintetik.
Penemuan, diterbitkan dalamBiologi Semasapada 28 Mei, fokus pada bakteria tanah-rhizobia liar yang membentuk hubungan simbiotik dengan tanaman kekacang seperti kacang polong dan kacang. Bakteria ini menukar nitrogen atmosfera kepada bentuk yang boleh digunakan oleh tumbuhan, membenarkan kekacang tumbuh dengan sedikit atau tiada baja nitrogen luaran. Para saintis berkata kajian itu memberi penerangan tentang bagaimana gen yang mengawal simbiosis ini boleh diperolehi oleh keturunan bakteria yang sebelum ini tidak mempunyai keupayaan, satu langkah penting ke arah memperluaskan penetapan nitrogen biologi kepada tanaman lain.
Memahami asas genetik simbiosis
Kajian itu, yang diketuai oleh Angeliqua P. Montoya dan rakan sekerja, mengkaji genomik evolusi hubungan endosymbiotik yang baru muncul dalam rhizobia liar. Dengan menjejaki cara gen pembaikan nitrogen-bergerak antara populasi bakteria, penyelidik dapat mengenal pasti laluan genetik yang membolehkan bakteria mewujudkan perkongsian yang berjaya dengan tumbuhan.
Penetapan nitrogen dalam kekacang bergantung pada nodul akar khusus, di mana rhizobia menerima karbohidrat daripada tumbuhan perumah sebagai pertukaran untuk nitrogen tetap secara biologi. Walaupun hubungan ini telah berkembang secara semula jadi selama berjuta-juta tahun, saintis telah lama mencari cara untuk mereplikasi sistem serupa dalam tanaman bukan-kacang.
Penyelidikan ini memberikan bukti baharu bahawa ciri genetik yang diperlukan untuk simbiosis boleh merebak merentasi keturunan bakteria, menunjukkan bahawa evolusi perkongsian nitrogen-mungkin lebih fleksibel daripada yang difahami sebelum ini. Penemuan sedemikian boleh membantu penyelidik mengenal pasti prasyarat genetik yang diperlukan untuk mewujudkan hubungan serupa dalam bakteria yang berkaitan dengan tanaman bijirin.
Mengapa penembusan penting untuk pasaran baja
Kepentingan penetapan nitrogen biologi melangkaui biologi tumbuhan. Kebanyakan tanaman ruji utama dunia-termasuk gandum, jagung dan beras-tidak dapat membetulkan nitrogen atmosfera dan oleh itu sangat bergantung kepada baja nitrogen yang dihasilkan melalui proses Haber-Bosch.
Pembuatan ammonia, asas baja nitrogen, merupakan salah satu proses industri-intensif tenaga yang paling banyak di seluruh dunia dan kekal sangat terdedah kepada kos gas asli, gangguan geopolitik dan sekatan perdagangan. Ketidaktentuan baru-baru ini dalam pasaran baja, termasuk kebimbangan bekalan yang dikaitkan dengan laluan perkapalan Timur Tengah dan kawalan eksport dari negara pengeluar utama, telah memperbaharui minat dalam teknologi yang boleh mengurangkan pergantungan kepada nitrogen sintetik.
Jika tanaman bijirin boleh memperoleh bahagian yang bermakna daripada keperluan nitrogennya melalui penetapan biologi, implikasi jangka panjang-untuk permintaan baja mungkin besar. Walaupun peralihan sedemikian masih jauh, ia telah menarik pelaburan besar daripada syarikat bioteknologi pertanian, pembangun input biologi dan-pembekal nutrien tanaman utama yang mencari penyelesaian pengurusan nutrien-yang lebih mampan.
Membina kemajuan sebelumnya
Kajian baharu itu menambah badan penyelidikan yang semakin meningkat bertujuan untuk memahami mekanisme molekul yang mengawal simbiosis mikrob-tumbuhan. Siasatan awal telah mengenal pasti protein tumbuhan tertentu, laluan isyarat dan-tindak balas pengantara kalsium yang menentukan sama ada tumbuhan menerima atau menolak bakteria pembetulan nitrogen-.
Penyelidik telah pun menunjukkan bukti-tentang-pengubahsuaian konsep dalam tumbuhan model dan beberapa spesies bijirin, termasuk barli, menunjukkan bahawa komponen rangkaian isyarat simbiotik boleh dimanipulasi. Walau bagaimanapun, mencapai penetapan nitrogen yang boleh dipercayai dan bermakna dari segi ekonomi dalam tanaman bijirin utama kekal sebagai salah satu matlamat yang paling bercita-cita tinggi dalam sains pertanian.
Penemuan Biologi Semasa memberikan perspektif pelengkap dengan memfokuskan pada sisi mikrob perhubungan, mendedahkan cara{0}}keupayaan penetapan nitrogen muncul dan merebak di kalangan populasi bakteria dalam persekitaran semula jadi.
Penggunaan komersil masih tinggal beberapa tahun lagi
Walaupun kemajuan saintifik, penyelidik mengingatkan bahawa aplikasi pertanian praktikal kekal sebagai objektif-jangka panjang. Menunjukkan pemindahan gen dan keupayaan simbiotik dalam sistem bakteria liar mewakili pencapaian saintifik yang penting, tetapi cabaran penting kekal sebelum penemuan tersebut boleh diterjemahkan ke dalam produk komersial.
Sektor baja biologi telah menarik modal teroka yang besar dan pelaburan korporat sepanjang dekad yang lalu, namun industri juga mengalami kemunduran apabila syarikat berusaha untuk menghasilkan semula keputusan makmal secara konsisten di bawah keadaan lapangan. Mencapai penjajahan yang stabil, kadar penetapan nitrogen yang mencukupi dan pulangan ekonomi untuk penanam kekal sebagai cabaran yang kompleks.
Akibatnya, penemuan terbaru tidak mungkin memberi kesan segera terhadap permintaan baja. Sebaliknya, ia menyumbang kepada asas saintifik yang semakin berkembang yang akhirnya boleh menyokong pembangunan-teknologi mikrob generasi seterusnya yang direka untuk menambah atau menggantikan sebahagian aplikasi nitrogen sintetik.
Langkah seterusnya untuk penyelidik
Fasa penyelidikan seterusnya akan memberi tumpuan kepada sama ada mekanisme genetik yang dikenal pasti dalam rhizobia liar boleh diperkenalkan ke dalam spesies bakteria yang secara semula jadi dikaitkan dengan akar tanaman bijirin. Para saintis kemudiannya mesti menentukan sama ada komuniti mikrob yang direka bentuk ini boleh menyediakan nitrogen tetap biologi yang mencukupi untuk menyampaikan faedah agronomi yang boleh diukur di bawah keadaan pertanian komersial.
Kejayaan akan mewakili anjakan besar dalam pemakanan tanaman, yang berpotensi membolehkan petani mengurangkan penggunaan baja sambil mengekalkan hasil. Walau bagaimanapun, buat masa ini, kerja itu kekal sebagai langkah awal tetapi ketara ke arah salah satu matlamat-pertanian yang paling dicari: membolehkan tanaman bijirin utama mengakses nitrogen melalui perkongsian biologi dan bukannya bergantung sepenuhnya pada baja perkilangan.
