Forskere ved Aarhus Universitet har identificeret syv naturligt forekommende hvederodsforbindelser, der undertrykker nitrificerende jordbakterier lige så stærkt som syntetiske nitrifikationshæmmere, hvilket åbner en potentiel forædlingsvej mod hvedesorter, der bevarer mere tilført kvælstof uden at kræve yderligere kemiske input eller udbytteofre.
Kvælstofproblemet, som landbruget bliver ved med at konfrontere
Mindre end halvdelen af det nitrogen, der tilføres som gødning, optages faktisk af afgrøder, mens resten tabes ved udvaskning i vandveje eller gasformig emission til atmosfæren som lattergas, en potent drivhusgas. I årtier har den primære reaktion været regulatoriske grænser for påføringshastigheder og syntetiske nitrifikationshæmmere, kemikalier, der bremser den mikrobielle omdannelse af ammonium til nitrat, men er dyre, kræver gentagen påføring og kan påvirke ikke-måljordorganismer.
Aarhus-teamet, ledet af postdoc-forsker Purna Kumar Khatri, undersøgte, om hvede i sig selv kunne udføre en version af den funktion biologisk. Deres arbejde er centreret om biologisk nitrifikationshæmning, en proces, hvor planterødder frigiver naturlige forbindelser, der undertrykker de nitrificerende mikrober, der er ansvarlige for at omdanne ammonium til den mere udvaskende-nitratform.
Hvad er benzoxazinoider?
Benzoxazinoider er sekundære metabolitter produceret naturligt af kornafgrøder, herunder hvede, majs og rug, traditionelt undersøgt for deres rolle i planteforsvar mod insekter, ukrudt og nematoder. Aarhus-forskerne screenede 18 forskellige benzoxazinoidforbindelser ved hjælp af et bioluminescensassay med Nitrosomonas europaea, en model nitrificerende bakterie, og fandt syv - inklusive BOA, MBOA, DIBOA og DIMBOA -, der er i stand til kraftigt at undertrykke nitrifikation ved relativt lave koncentrationer. Fordi disse forbindelser produceres og frigives af planten selv i stedet for eksternt, tilbyder de en fundamentalt anderledes leveringsmekanisme end syntetiske inhibitorer: kontinuerlig, lokaliseret frigivelse præcis hvor og hvornår planten skal beskytte tilgængeligt nitrogen.
Konstruerede hvedelinjer viser, at effekten kan forstærkes
Undersøgelsen sammenlignede en konventionel hvedeforælderlinje med to hvedelinjer, der bærer et kromosomfragment fra Leymus racemosus, et vildt græs kendt for at forbedre biologiske nitrifikationshæmningsegenskaber. Dyrkede hydroponisk frigav de forstærkede linjer betydeligt højere koncentrationer af aktive benzoxazinoider end moderlinjen, og deres rodeksudater undertrykte nitrifikation op til dobbelt så kraftigt - et resultat, der korrelerede direkte med de højere målte forbindelseskoncentrationer.
Modelleringsarbejde citeret af forskerne tyder på, at biologiske-nitrifikations-hæmning-aktiverede afgrøder kan reducere nitrogentabet med 20 % til 30 %, og tidlige markforsøg har ikke vist, at udbyttet er forbundet med egenskaben, hvilket betyder, at landmændene i princippet kunne anvende mindre gødning, mens de høstede mængder af korn. Khatri sagde, at mulighederne er betydelige selv ved beskedne effektivitetsgevinster: "Hvis du kan øge effektiviteten af nitrogen-forbruget med endda ti procent under virkelige markforhold, er de absolutte besparelser i gødning og emissioner enorme."
Fra kemi til et ynglemål
Det langsigtede-mål er at omsætte de kemiske resultater til en forædlingsstrategi: Når først forskere har identificeret, hvilke biosynteseveje der producerer de mest effektive nitrifikations-hæmmende forbindelser, kunne planteavlere vælge hvedesorter, der udtrykker egenskaberne stærkere, uden at kræve, at landmændene ændrer praksis eller køber nye input. Forskningen er en del af det bredere internationale CropSustain-projekt, hvor parallelle forskergrupper studerer, hvordan disse egenskaber påvirker jordmikrobiomer og ikke-målorganismer over længere tidsrammer - et spørgsmål, der har betydning for regulatorisk og kommerciel optagelse, selvom den underliggende biologi viser sig robust.
Resultaterne kommer, da de globale nitrogenmarkeder forbliver volatile efter forstyrrelsen af Hormuz-strædet, som sendte urinstofpriserne til næsten-rekorder tidligere på året før en delvis korrektion. Mens avlstidslinjer for nitrifikation-hæmmer hvedesorter løber over en fler--årig horisont i stedet for at give øjeblikkelig lindring, føjer forskningen sig til en voksende mængde biologiske alternativer - sideløbende med mikrobiel nitrogen-fiksering af produkter, der allerede er kommercialiseret af virksomheder, herunder Pivot Bio-landbrugssektoren'}, som gradvist kan reducere den {{6} afhængighed af syntetiske nitrogentilførsler.
Undersøgelsen, "Benzoxazinoids as candidate compounds for biological nitrification inhibition in wheat," blev publiceret i Plant Physiology and Biochemistry og udført i samarbejde med Københavns Universitet, University of Aberdeen og Mexicos International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT), som leverede frømateriale til forsøget.
