Forskere har påvist, at det genetiske maskineri, der er ansvarligt for biologisk nitrogenfiksering, kan overføres til nye bakteriestammer, hvilket giver en klarere forståelse af, hvordan denne afgørende landbrugsegenskab spredes i naturen og potentielt åbner nye veje til at reducere landbrugets afhængighed af syntetiske kvælstofgødninger.
Resultaterne, offentliggjort iAktuel biologiden 28. maj, fokus på vilde rhizobia-jordbakterier, der danner symbiotiske forhold med bælgplanter som f.eks. ærter og bønner. Disse bakterier omdanner atmosfærisk nitrogen til former, planter kan bruge, hvilket gør det muligt for bælgfrugter at vokse med lidt eller ingen ekstern nitrogengødning. Forskere siger, at undersøgelsen kaster lys over, hvordan generne, der styrer denne symbiose, kan erhverves af bakteriestammer, der tidligere manglede kapaciteten, et vigtigt skridt i retning af at udvide biologisk nitrogenfiksering til andre afgrøder.
Forståelse af det genetiske grundlag for symbiose
Undersøgelsen, ledet af Angeliqua P. Montoya og kolleger, undersøgte den evolutionære genomik af nyligt opståede endosymbiotiske forhold i vild rhizobia. Ved at spore, hvordan nitrogen-fikserende gener bevæger sig mellem bakteriepopulationer, var forskerne i stand til at identificere genetiske veje, der gør det muligt for bakterier at etablere succesfulde partnerskaber med planter.
Kvælstoffiksering i bælgplanter afhænger af specialiserede rodknogler, hvor rhizobia modtager kulhydrater fra værtsplanten i bytte for biologisk fikseret kvælstof. Selvom dette forhold har udviklet sig naturligt over millioner af år, har videnskabsmænd længe søgt efter måder at kopiere lignende systemer i ikke-bælgplanter.
Forskningen giver nye beviser for, at de genetiske egenskaber, der kræves til symbiose, kan spredes på tværs af bakterieslægter, hvilket tyder på, at udviklingen af nitrogen-fikserende partnerskaber kan være mere fleksibel end tidligere forstået. Sådanne fund kunne hjælpe forskere med at identificere de genetiske forudsætninger, der er nødvendige for at etablere lignende forhold i bakterier forbundet med kornafgrøder.
Hvorfor gennembruddet betyder noget for gødningsmarkederne
Betydningen af biologisk nitrogenfiksering rækker langt ud over plantebiologien. De fleste af verdens største basisafgrøder-inklusive hvede, majs og ris-kan ikke fikse atmosfærisk nitrogen og er derfor stærkt afhængige af nitrogengødning produceret gennem Haber-Bosch-processen.
Fremstillingen af ammoniak, grundlaget for nitrogengødning, er en af de mest energiintensive-industrielle processer globalt og er fortsat meget udsat for naturgasomkostninger, geopolitiske forstyrrelser og handelsrestriktioner. Den seneste volatilitet på gødningsmarkederne, herunder forsyningsproblemer knyttet til mellemøstlige skibsruter og eksportkontrol fra store producerende lande, har fornyet interessen for teknologier, der kan reducere afhængigheden af syntetisk nitrogen.
Hvis kornafgrøder kunne opnå en meningsfuld andel af deres nitrogenbehov gennem biologisk fiksering, kunne de langsigtede konsekvenser for gødningsefterspørgslen være betydelige. Selvom en sådan overgang stadig er fjern, har den tiltrukket betydelige investeringer fra landbrugsbioteknologiske virksomheder, udviklere af biologisk input og store afgrøde-næringsstofleverandører, der søger mere bæredygtige næringsstofhåndteringsløsninger-.
Bygger på tidligere fremskridt
Den nye undersøgelse tilføjer en voksende mængde forskning, der sigter mod at forstå de molekylære mekanismer, der styrer plante-mikrobesymbiose. Tidligere undersøgelser har identificeret specifikke planteproteiner, signalveje og calcium-medierede reaktioner, der afgør, om planter accepterer eller afviser nitrogen-fikserende bakterier.
Forskere har allerede demonstreret bevis-for-konceptændringer i modelplanter og nogle kornarter, herunder byg, hvilket viser, at komponenter i det symbiotiske signalnetværk kan manipuleres. At opnå pålidelig og økonomisk meningsfuld nitrogenfiksering i store kornafgrøder er dog fortsat et af de mest ambitiøse mål inden for landbrugsvidenskab.
De aktuelle biologi-resultater giver et komplementært perspektiv ved at fokusere på den mikrobielle side af forholdet og afsløre, hvordan nitrogen-fikserende evner opstår og spredes blandt bakteriepopulationer i naturlige miljøer.
Kommerciel implementering er stadig flere år væk
På trods af de videnskabelige fremskridt advarer forskere om, at praktiske landbrugsanvendelser fortsat er et langsigtet-mål. At demonstrere genoverførsel og symbiotisk evne i vilde bakteriesystemer repræsenterer en vigtig videnskabelig milepæl, men der er stadig betydelige udfordringer, før sådanne opdagelser kan omsættes til kommercielle produkter.
Den biologiske gødningssektor har tiltrukket betydelige venturekapital- og virksomhedsinvesteringer i løbet af det sidste årti, men industrien har også oplevet tilbageslag, da virksomheder kæmper for konsekvent at reproducere laboratorieresultater under markforhold. At opnå stabil kolonisering, tilstrækkelige nitrogenfikseringsgrader og økonomisk afkast for avlerne er fortsat en kompleks udfordring.
Som følge heraf er det usandsynligt, at de seneste resultater vil have nogen umiddelbar indflydelse på gødningsefterspørgslen. I stedet bidrager de til et voksende videnskabeligt grundlag, der i sidste ende kan understøtte udviklingen af næste-generations mikrobielle teknologier designet til at supplere eller delvist erstatte syntetiske nitrogenapplikationer.
Næste skridt for forskere
Den næste fase af forskningen vil fokusere på, om de genetiske mekanismer, der er identificeret i vild rhizobia, kan introduceres i bakteriearter, der naturligt forbinder med kornafgrøder. Forskere skal derefter afgøre, om disse konstruerede mikrobielle samfund kan levere nok biologisk fikseret nitrogen til at levere målbare agronomiske fordele under kommercielle landbrugsforhold.
Succes ville repræsentere et stort skift i afgrødernes ernæring, hvilket potentielt giver landmændene mulighed for at reducere gødningsforbruget og samtidig bevare udbyttet. Indtil videre er arbejdet dog stadig et tidligt, men bemærkelsesværdigt skridt hen imod et af landbrugets mest eftertragtede-mål: at gøre det muligt for store kornafgrøder at få adgang til nitrogen gennem biologiske partnerskaber i stedet for udelukkende at stole på fremstillet gødning.
