Az 1980-as években Howard-Yana Shapiro, a ma bejegyzett Mars mezőgazdasági főigazgatója új kukoricát keresett. A mexikói déli részén, Oaxaca Mixes kerületében volt, ahol a kukorica (más néven a kukorica) prekurzorai először fejlődtek, amikor a legfurcsább kukoricát találta meg. Nem csak 16-20 méter magas volt, és megtörölte a 12 méteres cuccokat az amerikai mezőkön, de hat-nyolc hónapig kellett érni, ami jóval hosszabb, mint a hagyományos kukoricához szükséges 3 hónap. Ennek ellenére olyan lenyűgöző magasságra nőtt fel, amelyet bőségesen szegény talajnak nevezhetünk műtrágya nélkül. De a kukorica legfurcsabb része a légi gyökerei voltak - zöld és rózsa színű, ujjszerű kiemelkedések kilógtak a kukorica szárát, átlátszó, szirupos géllel csöpögve.
Shapiro gyanította, hogy ezek a nyálkos ujjak lehetnek a mezőgazdaság Szent Grálja. Úgy vélte, hogy a gyökerek lehetővé teszik a Sierra Mixe-nek nevezett és száz vagy akár több ezer évben helyben nevelt kukorica ezen egyedülálló változatát, hogy saját nitrogént nyerjenek, amely nélkülözhetetlen tápanyag a növények számára, amelyet általában trágyaként alkalmaznak epikus mennyiségben.
Az ötlet ígéretesnek tűnt, de anélkül, hogy DNS-eszközökkel megvizsgálnák a kukorica nitrogén előállításának sajátosságait, a felfedezés polcra került. Közel két évtizeddel később, 2005-ben, Alan B. Bennett a Davisi Kaliforniai Egyetemen - Shapiroval és más kutatókkal együtt - élvonalbeli technológiát kezdett használni a flegmás kukorica nitrogénmegkötő tulajdonságainak vizsgálatához, megállapítva, hogy valóban a nyálkahártyában élő baktériumok nitrogént húztak a levegőből, átalakítva azt olyan formába, amelyet a kukorica felszívhat.
Most, a több mint egy évtizedes kutatás és genetikai elemzés után, a csapat közzétette munkáját a PLOS Biology folyóiratban. Ha a nitrogénmegkötő tulajdonság tenyészthető lenne a hagyományos kukoricába, lehetővé téve annak akár saját nitrogénjének egy részének előállítását, csökkentheti a gazdálkodás költségeit, csökkentheti az üvegházhatású gázok kibocsátását, és megállíthatja a tavak, folyók és a tavak egyik fő szennyező anyagát. óceán. Más szavakkal, ez második nitrogénforradalomhoz vezethet.
A nitrogén szintetikus előállítása lehet a 20. század legnagyobb eredménye. A Haber-Bosch folyamat felfedezése és finomításai, amelyekben a nitrogént nagy hő és nyomás alatt katalizátor jelenlétében eltávolítják a levegőből, három külön Nobel-díjhoz jutottak. És nagyon megérdemelték őket. A becslések szerint a terméshozamok több mint kétszeresére növekedtek 1908 és 2008 között, és a szintetikus nitrogénműtrágya a növekedés felének felel meg. Egyes kutatók az elmúlt hetven évben az emberi népesség hatalmas növekedését a nitrogéntartalmú műtrágyák fokozott használatához kötik. Enélkül szinte négyszer annyi földet kellene gazdálkodnunk, vagy milliárdokkal kevesebb emberrel kellene élnünk a világon.
De az egész nitrogén előállítása következményekkel jár. A becslések szerint a műtrágya előállítása a Haber-Bosch folyamattal a világ energiaének 1–2% -át használja fel, és sok üvegházhatású gázt bocsát ki. A szintetikus nitrogén rutinszerűen mosza le a mezőket a vízi utakra, hatalmas algavirágzáshoz vezet, amely felszívja az összes oxigént, elpusztítva a halakat és más organizmusokat. Olyan sok nitrogén kerül a folyókba és patakokba, hogy a világ folyóinak torkolataiban nagy halott övezetek alakultak ki, ideértve a Mexikói-öbölben egy olyan területet, amely tavaly New Jersey méretű volt. Mark Sutton, az Egyesült Királyság Ökológiai és Hidrológiai Központja a nitrogént „a szennyezés keresztapjává” nevezi, mivel a hatások mindenütt jelen vannak, de soha nem látják a tetteset.
A kutatók még a kukoricát is átültették a Wisconsini Madisonba, és megállapították, hogy ez továbbra is képes saját nitrogénjét előállítani natív környezetéből. (Fotó: Jean-Michel Ané) De nem hagyhatjuk csak ki a nitrogént anélkül, hogy a mezőgazdaságban jelentős csökkenést tapasztalnánk. Noha a jobb gazdálkodási és gazdálkodási gyakorlatok hozzájárulhatnak a vízfolyásoktól való távol tartáshoz, ezek a stratégiák nem elégségesek a nitrogén ökológiai problémáinak megoldásához. Ezért a kutatók évtizedek óta elgondolkodnak azon, hogy lehetne-e segíteni a gabonaféléket, például a kukoricát és a búzát a saját nitrogénjének előállításában.
Az ötlet nem olyan távoli, mint amilyennek hangzik. Sok növény, különösen a hüvelyesek, például a szójabab, a földimogyoró és a lóhere szimbiotikus kapcsolatban állnak a Rhizobium baktériumokkal, amelyek nitrogént termelnek számukra. A növények gyökércsomókat nőnek, ahol a baktériumok tartózkodnak, és kortyolnak a növényi cukrokon, miközben a levegőben lévő nitrogént olyan formává alakítják, amelyet a növények használhatnak. Ha hasonló szimbiotikus összefüggést lehetne találni, amely olyan gabonafélékben működik, mint a kukorica és a búza, a kutatók úgy gondolják, hogy csökkenthetjük a szennyező anyag felhasználását.
Ezért olyan fontos a nyálka kukorica, és ezért Bennett és csapata nyolc évet töltött a baktériumok és a gél tanulmányozásával és újbóli tanulmányozásával, hogy meggyőzzék magukat arról, hogy a kukorica valóban képes előállítani a saját nitrogénjét. A DNS-szekvenálás alkalmazásával képesek voltak megmutatni a nitrogén rögzítésére szolgáló iszapban lévő génekben lévő mikrobákat, és bebizonyították a gélt, amelyben a kukorica ürülékei, amelyek magas cukor- és alacsony oxigéntartalmúak, tökéletesen megtervezték a nitrogén rögzítését. Öt különféle teszttel megmutatták, hogy a mikrobák által termelt nitrogén bejutott a kukoricába, biztosítva a növény igényeinek 30–80 százalékát. Ezután előállították a iszap szintetikus változatát, és a mikrobákkal beoltották, és megállapították, hogy ebben a környezetben nitrogént is termelnek. Még a Sierra Mixe-t nőtték a kaliforniai Davis-ben és a Wisconsin-i Madisonban, megmutatva, hogy különleges trükkjét a mexikói otthoni gyepén kívül is elvégezheti.
„Ez a mechanizmus teljesen különbözik attól, amelyet hüvelyesek használnak” - mondja Bennett, és hozzáteszi, hogy más növényeknél is létezik. "Természetesen elképzelhető, hogy hasonló típusú rendszerek léteznek sok gabonafélében. Például a ciroknak légi gyökerei vannak és nyálka. Talán másoknak olyan finomabb mechanizmusai vannak, amelyek a föld alatt fordulnak elő, és amelyek szélesebb körben létezhetnek. Most, hogy tisztában vagyunk velük, kereshetjük őket. ”
A társszerző, Jean Michel-Ane a Wisconsini Egyetemen (Madison) egyetért azzal, hogy ez a felfedezés mindenféle új lehetőséget nyit meg. „A nitrogén rögzítésére és a gyökércsomók kialakítására, például hüvelyesekre való kukoricatervezés évtizedek óta a tudósok álma és küzdelme. Kiderült, hogy ez a kukorica teljesen más módon fejlesztette ki ezt a nitrogén-rögzítési problémát. A tudományos közösség valószínűleg alábecsülte a nitrogén-rögzítést más növényekben a gyökércsomók megszállása miatt ”- mondja egy nyilatkozatában. "Ez a kukorica megmutatta nekünk, hogy a természet olyan problémákra találhat megoldást, amelyek a tudósok valaha is el tudják képzelni."
Kiderül, hogy a természetnek még több nitrogéntermelő trükkje van a hüvelyében, amire a kutatók csak kezdetét veszik. Számos további folyamatban lévő projekt van azzal a céllal, hogy a gabona- és zöldségnövényeket a Haber-Boschingért hozzuk nekünk. Az egyik legígéretesebb endofiták, vagy mikroorganizmusok, például baktériumok és gombák használata, amelyek a növények intercelluláris tereiben élnek. A Washingtoni Egyetem kutatója, Sharon Doty néhány évtizeddel ezelőtt felkeltette érdeklődését az organizmusok iránt. Fűzfát és nyárfákat tanulmányozott, amelyek azok között az első fák között, amelyek zavart földön növekednek olyan események után, mint például a vulkánkitörés, áradások vagy sziklák. Ezek a fák a folyami kavicsból nőttek ki, alig tudtak hozzáférni a talaj nitrogénjéhez. A szárukban Doty azonban endofitákat talált, amelyek rögzítették a fák nitrogéntartalmát, nincs szükség gyökércsomókra. Azóta tucatnyi különféle endofita törzset kipróbált, amelyek közül sok meglepő módon segíti a növényeket. Egyesek nitrogént vagy foszfort termelnek, egy másik fontos tápanyagot, míg mások javítják a gyökér növekedését, mások pedig lehetővé teszik a növények számára, hogy túlélesszék az aszályos vagy magas sótartalmú körülményeket.
"Van egy egész sor különféle mikrobát, amelyek rögzíthetik a nitrogént, és a befolyásolt növényfajok széles köre" - mondja. Kísérletei kimutatták, hogy a mikrobák megduplázhatják a paprika és a paradicsom növények termelékenységét, javíthatják a rizs növekedését, és az aszálytűrést biztosíthatják a fákhoz, például a Douglas fenyőkhöz. Néhányan megengedik a fáknak és növényeknek, hogy felszívják és lebontják az ipari szennyeződéseket, és ezeket most a Superfund telephelyeinek tisztítására használják. „Az endofiták alkalmazásának előnye, hogy egy igazán nagy csoport. Találtunk olyan törzseket, amelyek rizzsel, kukoricával, paradicsommal, paprikával és más mezőgazdasági szempontból fontos növényi növényekkel működnek. "
Valójában az endofiták inkább korábban, mint később a gazdák kezébe kerülhetnek. A Los Altosban, a kaliforniai székhelyű IntrinsyxBio Doty néhány endofitáját forgalmazza. John L. Freeman, a tudományos főigazgató elmondta egy interjúban, hogy a vállalat arra készül, hogy egy termék 2019-ben forgalomba hozható legyen. A cél az, hogy több endofita törzset juttasson növényekbe, valószínűleg a magvak bevonásával. Miután ezek a baktériumok a növény belsejében tartózkodnak, ki kell szivattyúzniuk a szükséges nitrogén kb. 25% -át.
Egy másik biotechnológiai cég, a Pivot Bio nevű, nemrégiben bejelentette, hogy hasonló megoldást béta tesztel, nitrogénmegkötő mikrobák felhasználásával, amelyek a kukorica gyökérzetében növekednek.
A szintetikus biológia újonnan megjelenő területe a nitrogénprobléma megoldásában is küzd. A bostoni székhelyű Joyn Bio, amelyet tavaly szeptemberben alakítottak ki, a Bayer és a Ginkgo Bioworks, egy biotechnológiai vállalat közreműködésével rendelkezik, amelynek tapasztalata az egyedi élesztők és baktériumok előállítása az élelmiszer- és ízesítőipar számára, többek között a „tervező mikrobák” projektek között. Joyn jelenleg a Bayer könyvtárán keresztül több mint 100 000 mikrobát fésül, hogy olyan gazdaszervezetet keressen, amely sikeresen kolonizálja a növényeket, hasonlóan a Doty endofitjaihoz. Aztán remélik, hogy átgondolják ezt a „ház alvázát” olyan génekkel, amelyek lehetővé teszik a nitrogén rögzítését. "Ahelyett, hogy támaszkodnánk a természetre, és találnánk egy varázslatos mikrobát, amelyről nem gondoljuk, hogy létezik, meg akarjuk találni a gazdaszervezet mikrobát és finomítani azt, hogy megtegye azt, amit tennünk kell a kukoricához vagy búzához" - mondja Joyn vezérigazgatója, Michael Miille .
A Gates Alapítvány szintén részt vesz a játékban, és támogatja azokat a projekteket, amelyek megkísérlik a hüvelyesek nitrogénmegkötő képességét a gabonafélékbe adni. Még más csapatok abban reménykednek, hogy a feltöltött kvantumszámítás megjelenése új kémiai birodalmakat nyit meg, és új katalizátorokat azonosít, amelyek a Haber-Bosch folyamatát sokkal hatékonyabbá teszik.
Noha valószínűtlen, hogy egy megoldás önmagában képes helyettesíteni az ember által használt műtrágya 100% -át, ezek a projektek együttesen komoly bajt okozhatnak a nitrogénszennyezésben. Bennett reméli, hogy a Sierra Mixe és annak csapata, amiben az megtanulta, a nitrogénforradalom részét képezi, bár beismeri, hogy ez egy nagyon hosszú ugrás, mielőtt nyálkás kukoricaujja elkezdi nitrogént termelni a hagyományos növényekben. Most meg akarja határozni azokat a géneket, amelyek előállítják a légi gyökereket, és meghatározza, hogy a nyálka során felfedezett több ezer mikrobának melyik rögzíti a nitrogént.
"Úgy gondolom, hogy az, amit csinálunk, kiegészítheti ezeket az [endoifita és szintetikus biológia] megközelítéseket" - mondja. "Azt hiszem, sok eltérő stratégiát fogunk látni, és 5-10 év alatt valami megjelenik, amely befolyásolja azt, hogy a kukorica hogyan kap nitrogént."
A szerkesztő megjegyzésének 18/18/18: A cikk egy korábbi tervezete hibásan írta be John L. Freeman nevét, és tévesen azonosította jelenlegi társaságát.
