Penyelidik di Universiti Aarhus telah mengenal pasti tujuh sebatian akar gandum yang berlaku secara semula jadi yang menyekat bakteria tanah nitrifikasi sekuat perencat nitrifikasi sintetik, membuka laluan pembiakan yang berpotensi ke arah varieti gandum yang mengekalkan lebih banyak nitrogen terpakai tanpa memerlukan input kimia tambahan atau pengorbanan hasil.
Masalah pertanian nitrogen terus dihadapi
Kurang daripada separuh nitrogen yang digunakan sebagai baja sebenarnya diambil oleh tanaman, dengan bakinya hilang melalui larut lesap ke dalam saluran air atau pelepasan gas ke atmosfera sebagai nitrus oksida, gas rumah hijau yang kuat. Selama beberapa dekad tindak balas utama ialah had pengawalseliaan pada kadar aplikasi dan perencat nitrifikasi sintetik, bahan kimia yang memperlahankan penukaran mikrob ammonium kepada nitrat tetapi mahal, memerlukan penggunaan berulang dan boleh menjejaskan organisma tanah bukan sasaran.
Pasukan Aarhus, yang diketuai oleh penyelidik pasca doktoral Purna Kumar Khatri, menyiasat sama ada gandum itu sendiri boleh melaksanakan versi fungsi itu secara biologi. Kerja mereka tertumpu pada perencatan nitrifikasi biologi, satu proses di mana akar tumbuhan membebaskan sebatian semula jadi yang menyekat mikrob nitrifikasi yang bertanggungjawab untuk menukar ammonium kepada bentuk nitrat-yang lebih mudah larut lesap.
Apakah benzoxazinoids?
Benzoxazinoids adalah metabolit sekunder yang dihasilkan secara semula jadi oleh tanaman bijirin termasuk gandum, jagung dan rai, secara tradisional dikaji untuk peranannya dalam pertahanan tumbuhan terhadap serangga, rumpai dan nematod. Penyelidik Aarhus menyaring 18 sebatian benzoxazinoid berbeza menggunakan ujian bioluminesensi dengan Nitrosomonas europaea, bakteria nitrifikasi model, dan mendapati tujuh - termasuk BOA, MBOA, DIBOA dan DIMBOA - yang mampu menindas nitrifikasi dengan kuat pada kepekatan yang agak rendah. Oleh kerana sebatian ini dihasilkan dan dikeluarkan oleh tumbuhan itu sendiri dan bukannya digunakan secara luaran, ia menawarkan mekanisme penyampaian yang berbeza secara asasnya daripada perencat sintetik: pelepasan setempat yang berterusan dengan tepat di mana dan bila tumbuhan perlu melindungi nitrogen yang tersedia.
Garisan gandum yang direka bentuk menunjukkan kesannya boleh dikuatkan
Kajian itu membandingkan garis induk gandum konvensional terhadap dua garis gandum yang membawa serpihan kromosom dari Leymus racemosus, rumput liar yang diketahui meningkatkan ciri perencatan nitrifikasi biologi. Ditanam secara hidroponik, garisan yang dipertingkatkan mengeluarkan kepekatan benzoxazinoid aktif yang jauh lebih tinggi daripada garisan induk, dan eksudat akarnya menekan nitrifikasi sehingga dua kali lebih kuat - hasil yang berkorelasi secara langsung dengan kepekatan sebatian yang lebih tinggi yang diukur.
Kerja pemodelan yang dipetik oleh penyelidik mencadangkan tanaman yang didayakan-nitrifikasi-biologi-boleh mengurangkan kehilangan nitrogen sebanyak 20% hingga 30%, dan ujian awal lapangan menunjukkan tiada penalti hasil yang dikaitkan dengan sifat tersebut, bermakna petani pada dasarnya boleh menggunakan lebih sedikit baja semasa menuai volum bijirin yang setanding. Khatri berkata magnitud peluang itu penting walaupun pada keuntungan kecekapan sederhana: "Jika anda boleh meningkatkan nitrogen-menggunakan kecekapan sehingga sepuluh peratus dalam keadaan lapangan sebenar, penjimatan mutlak dalam baja dan pelepasan adalah sangat besar."
Daripada kimia kepada sasaran pembiakan
Matlamat jangka panjang-adalah untuk menterjemahkan penemuan kimia kepada strategi pembiakan: setelah penyelidik mengenal pasti laluan biosintetik yang menghasilkan sebatian perencatan nitrifikasi-yang paling berkesan, penternak tumbuhan boleh memilih varieti gandum yang menyatakan ciri-ciri dengan lebih kuat, tanpa memerlukan petani mengubah amalan atau membeli input baharu. Penyelidikan ini adalah sebahagian daripada projek CropSustain antarabangsa yang lebih luas, di mana kumpulan penyelidikan selari sedang mengkaji cara ciri-ciri ini mempengaruhi mikrobiom tanah dan-organisma bukan sasaran dalam jangka masa yang lebih lama - soalan yang penting untuk pengambilan peraturan dan komersial walaupun biologi asas terbukti kukuh.
Penemuan tiba apabila pasaran nitrogen global kekal tidak menentu berikutan gangguan Selat Hormuz, yang menyebabkan harga urea menghampiri-rekod tertinggi awal tahun ini sebelum pembetulan separa. Walaupun garis masa pembiakan untuk nitrifikasi-menghalang varieti gandum berjalan pada ufuk-berbilang tahun dan bukannya menawarkan bantuan segera, penyelidikan menambah kepada kumpulan alternatif biologi - yang semakin meningkat bersama-sama produk pembaikan nitrogen mikrob-yang telah dikomersialkan oleh syarikat termasuk Pivot Bio - yang secara beransur-ansur boleh mengurangkan kebergantungan input nitrogen pada sektor pertanian.
Kajian itu, "Benzoxazinoids sebagai sebatian calon untuk perencatan nitrifikasi biologi dalam gandum, " diterbitkan dalam Fisiologi Tumbuhan dan Biokimia dan dijalankan dengan kerjasama Universiti Copenhagen, Universiti Aberdeen, dan Pusat Peningkatan Jagung dan Gandum Antarabangsa Mexico (CIMMYT), yang menyediakan bahan benih untuk percubaan.
