Dalam beberapa dekad akan datang, manusia perlu memberi makan berbilion-bilion lagi orang di planet yang berada di bawah tekanan. gelombang haba yang melampau, kemarau yang teruk, dan tanah yang terdegradasiMemandangkan senario ini, cara kita memupuk dan memahami tumbuhan berubah dengan pesat, dan salah satu penyelidikan yang paling menarik ialah apa yang secara bahasa sehari-hari dipanggil "tumbuhan yang bernafas nitrogen".
Di sebalik idea menarik ini terletaknya cabaran yang besar: memastikan tanaman dapat memanfaatkan nitrogen dari udara dan mengurangkan kebergantungan kepada baja kimiaSambil menyesuaikan diri dengan iklim yang lebih panas, kering dan berubah-ubah, pusat-pusat terkemuka seperti Pusat Bioteknologi dan Genomik Tumbuhan (CBGP) telah pun terlibat sepenuhnya dalam cabaran ini, menggabungkan bioteknologi, ekologi dan pertanian lestari untuk mengekalkan pengeluaran makanan dalam dunia yang sentiasa berubah.
Mengapakah nitrogen begitu penting untuk tumbuhan?
Ia mungkin kedengaran keterlaluan, tetapi tanpa nitrogen tidak akan ada kehidupan seperti yang kita ketahui, kerana unsur ini adalah kunci untuk tumbuhan terbentuk. protein, enzim dan pigmen yang diperlukan untuk fotosintesisTanpa sumber nitrogen yang mencukupi, tanaman tidak dapat tumbuh dengan baik, menghasilkan biojisim atau menawarkan hasil yang boleh diterima.
Walaupun udara yang kita hirup terdiri daripada sekitar 78% gas nitrogen (N₂)Tumbuhan tidak boleh menggunakannya secara langsung. Nitrogen atmosfera sangat stabil, dan kebanyakan benda hidup kekurangan alat biokimia untuk menguraikan molekul ini dan mengubahnya menjadi sebatian yang boleh digunakan seperti ammonium atau nitrat.
Di bawah keadaan semula jadi, tumbuhan memperoleh nitrogen terutamanya daripada tanah, dalam bentuk ion nitrat (NO₃⁻) dan ammonium (NH₄⁺)Nutrien-nutrien ini berasal daripada penguraian bahan organik atau daripada proses fiksasi biologi yang dijalankan oleh mikroorganisma. Apabila tanah kekurangan nitrogen, tumbuhan akan mengalami klorosis, tumbuh dengan buruk, dan produktiviti mereka akan merosot.
Untuk mengimbangi batasan ini, pertanian moden telah bergantung pada baja sintetik yang membekalkan sejumlah besar nitrogen. Masalahnya ialah model tersebut telah menjadi tidak mampan disebabkan oleh penggunaan tenaga yang tinggi, jejak karbon dan pencemaran tanah, air dan atmosfera yang berkaitan dengan penggunaan baja kimia yang berlebihan.
Kebanyakan kajian semasa memberi tumpuan kepada pemahaman dan memanfaatkan strategi semula jadi dengan lebih baik di mana sesetengah organisma dan beberapa kaitan tumbuhan-mikrob dapat untuk mengikat nitrogen atmosfera dan menjadikannya tersedia untuk ekosistem.
Fiksasi nitrogen biologi: helah bakteria
Walaupun tumbuhan tidak boleh menggunakan gas nitrogen secara langsung, bakteria tertentu boleh, terima kasih kepada enzim yang sangat khusus yang dipanggil nitrogenaseProtein ini mampu menguraikan N₂ atmosfera dan mengubahnya menjadi sebatian nitrogen yang, lama-kelamaan, menjadi sebahagian daripada rantaian makanan.
Bakteria pengikat nitrogen ini terdapat secara bebas di dalam tanah dan berkait rapat dengan akar spesies tumbuhan tertentu. Sebahagian daripadanya membentuk hubungan simbiotik yang sangat rapat dengan tumbuhan, hidup di dalam struktur khas yang terbentuk dalam akar umbi dan membolehkan pertukaran sumber yang ditala dengan sangat halus.
Dalam tumbuhan yang dipanggil simbiotik pengikat nitrogen, tumbuhan itu menjadi hos kepada bakteria dan membekalkannya dengan gula yang diperoleh melalui fotosintesis, manakala mikroorganisma membalas budi. membekalkan nitrogen "baharu" dari atmosferaPertukaran ini sangat cekap sehingga dapat menampung sebahagian besar keperluan tanaman dan memperkayakan tanah untuk tanaman masa depan.
Apabila tumbuhan yang berkaitan dengan bakteria ini melengkapkan kitaran hayatnya dan sisa-sisanya dimasukkan ke dalam tanah, nitrogen yang telah terkumpul dalam tisunya dilepaskan melalui proses yang dikenali sebagai mineralisasi nitrogenBahan organik terurai dan nitrogen organik diubah menjadi ammonium dan nitrat, iaitu bentuk yang mudah diserap oleh tumbuhan lain.
Oleh itu, komuniti tumbuhan yang merangkumi pengikat nitrogen memainkan peranan penting dalam kesuburan semula jadi bagi banyak ekosistem dan sistem pertanianmengurangkan keperluan untuk membekalkan begitu banyak baja luaran.
Tumbuhan yang "bernafas" nitrogen: kekacang, nodul dan simbiosis
Kumpulan tumbuhan yang paling terkenal yang berkaitan dengan bakteria pengikat nitrogen ialah kekacang, sebuah keluarga besar yang merangkumi tanaman harian seperti kacang pis, kacang, lentil, kacang kuda, kacang buncis atau semanggiSpesies ini telah membangunkan, sepanjang evolusi, keupayaan untuk membentuk nodul pada akarnya untuk menyediakan perlindungan bagi bakteria tertentu.
Dalam hubungan ini, tumbuhan memancarkan isyarat kimia ke dalam zon akar yang menarik bakteria tanah tertentu yang mampu mengikat nitrogen. Sebaik sahaja sentuhan terjalin, akar mula terbentuk. struktur khusus yang dipanggil nodulyang bertindak sebagai "reaktor biologi" kecil yang dilindungi, tempat bakteria hidup dan berfungsi di bawah keadaan yang sesuai.
Di dalam nodul ini, bakteria mengikat nitrogen atmosfera dan mengubahnya menjadi sebatian nitrogen yang mengalir ke dalam tumbuhan, sementara tumbuhan menghantar gula dan sebatian lain kepada bakteria untuk memastikan ia aktif. Walaupun mikroorganisma ini tidak melakukan fotosintesis, ia bergantung pada tenaga kimia yang dihasilkan oleh tumbuhan hasil daripada cahaya matahari.
Hasil praktikalnya ialah tanaman memperoleh sumber nitrogen yang berterusan tanpa memerlukan begitu banyak baja luaran, dan sebahagian daripada nitrogen tersebut akan kekal di dalam tanah apabila tumbuhan mati atau apabila sisa tumbuhan digabungkan melalui amalan pertanian. Malah, Penguraian sisa kekacang memperkayakan kandungan nitrogen tanah dengan ketara.
Mekanisme ini menjelaskan mengapa kekacang sering digunakan dalam penggiliran tanaman atau sebagai baja hijau: ia bukan sahaja menghasilkan makanan, tetapi juga membantu untuk meningkatkan kesuburan plot dan menyokong sistem pertanian yang lebih lestari dalam jangka sederhana dan panjang.
Taburan dan kepelbagaian tumbuhan pengikat nitrogen
Peranan ekologi tumbuhan yang berkaitan dengan bakteria pengikat nitrogen adalah sangat penting sehingga beberapa pasukan saintifik telah mengkaji taburan berskala besarnya secara terperinci. Di Amerika Syarikat, penyelidik dari pelbagai pusat, seperti Muzium Sejarah Alam Florida dan universiti-universiti Louisiana dan MississippiMereka telah menganalisis rekod spesies asli dan invasif di berpuluh-puluh lokasi untuk lebih memahami corak ini.
Pada pandangan pertama, seseorang mungkin berfikir bahawa dalam tanah yang miskin nitrogen sepatutnya ada kelimpahan dan kepelbagaian tumbuhan pengikat tanah yang lebih besarmemandangkan kelebihan daya saingnya akan menjadi lebih besar dalam persekitaran yang dihadkan oleh nutrien ini. Walau bagaimanapun, analisis terperinci melayakkan idea yang nampaknya logik ini dengan ketara.
Apabila membandingkan kawasan yang berbeza, para penyelidik mendapati bahawa bilangan tumbuhan pengikat nitrogen cenderung peningkatan di kawasan yang mempunyai kurang nitrogen yang terdapat di dalam tanahIni memang sesuai dengan hipotesis klasik. Tetapi mereka juga memerhatikan bahawa, apabila persekitaran menjadi lebih kering, kehadiran keseluruhan tumbuhan ini berkurangan.
Penemuan yang paling menarik ialah, apabila mereka melihat kepelbagaian pengikat nitrogen asli, mereka mengesan corak yang berbeza: Kepelbagaian spesies pengikat tanah asli meningkat dengan ketara di kawasan gersangtanpa mengira jumlah nitrogen yang terdapat di dalam tanah. Iaitu, di tempat yang keadaan airnya lebih keras, julat tumbuhan pengikat nitrogen asli boleh menjadi sangat tinggi.
Keputusan ini menunjukkan bahawa, secara besar-besaran, taburan tumbuhan yang menjadi tuan rumah kepada bakteria pengikat nitrogen bukan sahaja bergantung pada nitrogen tanah, tetapi juga pada gabungan faktor yang kompleks seperti ketersediaan air, sejarah evolusi, dan dinamik komuniti tumbuhanMemahami corak-corak ini adalah kunci untuk mereka bentuk sistem pertanian yang lebih sesuai untuk setiap rantau.
Peranan CBGP: bioteknologi tumbuhan dalam menghadapi perubahan iklim
Walaupun kemajuan sedang dicapai dalam pemahaman ekologi tentang tumbuhan pengikat akar, pusat penyelidikan seperti Pusat Bioteknologi dan Genomik Tumbuhan (CBGP), yang dikaitkan dengan Universiti Politeknik Madrid, sedang menumpukan pada satu lagi bidang: menyesuaikan tanaman dengan iklim ekstrem yang telah kita alami dan yang akan menjadi semakin intensif dalam beberapa dekad akan datang.
Ramalan menunjukkan bahawa menjelang pertengahan abad, kira-kira 9.700 juta orang di planet yang lebih panas, lebih kering dan terdedah kepada peristiwa cuaca ekstrem yang lebih kerap. Tahun 2024 sudah pun merupakan salah satu tahun paling panas dalam rekod, dan di Eropah, puluhan ribu kematian dikaitkan dengan gelombang haba, dengan Sepanyol menjadi salah satu negara yang paling teruk terjejas.
Memandangkan senario ini, di CBGP mereka belajar secara komprehensif bagaimana tumbuhan tumbuh, bagaimana ia berinteraksi dengan mikroorganisma dalam persekitarannya dan bagaimana mereka bertindak balas terhadap perubahan persekitaran seperti peningkatan suhu, kemarau yang berpanjangan atau kemasinan tanah pertanian.
Salah satu objektif utama pusat ini adalah untuk membangunkan varieti tanaman baharu, atau memilih daripada varieti sedia ada yang mampu mengekalkan hasil yang boleh diterima di bawah tekanan persekitaranIni bukan sahaja bermaksud bertolak ansur dengan keadaan buruk, tetapi berbuat demikian tanpa terlalu bergantung pada input luaran seperti baja dan air.
Untuk mencapai matlamat ini, para penyelidik menganalisis mekanisme molekul yang membolehkan tumbuhan tertentu menahan tekanan persekitaran dengan lebih baik. Mereka mengenal pasti protein pertahanan, laluan isyarat dan gen utama yang diaktifkan dalam keadaan yang ekstrem, dan menggunakan maklumat tersebut untuk menghasilkan apa yang mereka panggil "bukti konsep".
Dalam ujian ini, mereka mencipta tumbuhan transgenik yang mengumpul protein tertentu atau mengaktifkan mekanisme toleransi tertentu, untuk mengesahkan sama ada ia benar-benar meningkatkan prestasi mereka dalam menghadapi kemarau, haba atau kemasinan. Dengan cara ini, Mereka secara eksperimen mengesahkan strategi mana yang paling berkesan. sebelum mempertimbangkan permohonan berskala besar.
Tanaman yang lebih berdaya tahan: tomato, brassicas dan keselamatan makanan
Salah satu hasil cemerlang pendekatan ini ialah pembangunan pokok tomato dengan toleransi garam yang tinggiIni merupakan masalah yang semakin biasa di kawasan pertanian di mana pengairan dan penyejatan yang kuat memekatkan garam di dalam tanah. Pasukan CBGP telah membangunkan varieti transgenik yang lebih tahan terhadap tahap garam ini.
Tomato-tomato yang tahan lasak ini telah pun melahirkan Permohonan paten EropahIdeanya adalah untuk memperluaskan teknologi ini kepada tanaman lain yang amat sensitif terhadap kemasinan, seperti kacang pis, kacang buncis, jagung atau strawberi. Jika berjaya, ini akan mewakili kelebihan yang besar di kawasan di mana air pengairan berkualiti terhad atau tanahnya telah terdegradasi.
Pada masa yang sama, kumpulan itu sedang berusaha untuk memindahkan kemajuan ini kepada apa yang dipanggil brassicas, sebuah keluarga tumbuhan yang merangkumi kubis, brokoli, dan sayur-sayuran penting lain dalam diet. Meningkatkan daya tahan sayur-sayuran ruji ini bermakna melindungi bahagian yang sangat penting dalam keselamatan makanan dalam persekitaran iklim yang tidak menentu.
Walau bagaimanapun, ia tidak semudah memperkenalkan protein pertahanan dan itu sahaja. Kebanyakan protein tersebut tergolong dalam keluarga yang juga mengandungi alergen makananIni memerlukan langkah berjaga-jaga tambahan. Tidak semua protein imun bersifat alergenik, tetapi ada yang boleh mencetuskan reaksi pada individu yang sensitif.
Atas sebab ini, CBGP mempunyai pasukan alergen khusus yang menilai protein ini secara menyeluruh. Kerja mereka tertumpu pada mengenal pasti Apakah ciri-ciri struktur yang menjadikan protein sebagai alergen yang berpotensi? dan yang mana tidak, supaya penyelesaian bioteknologi yang selamat untuk penggunaan manusia dapat direka bentuk.
Pendekatan yang teliti ini penting untuk inovasi dalam tanaman yang diubah suai secara genetik atau yang diperbaiki agar mempunyai tempat yang nyata di pasaran, menjamin keselamatan makanan dan pembangunan varieti baharu yang bertanggungjawab yang membantu menangani perubahan iklim tanpa menimbulkan masalah tambahan.
Ke arah bijirin yang "bernafas" nitrogen dari udara
Antara projek paling bercita-cita tinggi yang sedang dijalankan di CBGP, projek yang diketuai oleh penyelidik tersebut menonjol. Luis Rubiodibiayai oleh Yayasan Gates. Matlamatnya semudah dijelaskan tetapi sukar dicapai: untuk menjadikan bijirin mampu untuk menangkap dan memetabolismekan nitrogen dari udaramengurangkan kebergantungan terhadap baja kimia secara drastik.
Tidak seperti kekacang, tanaman ruji seperti beras, gandum atau jagung tidak secara semula jadi membentuk kaitan simbiotik yang begitu kuat dengan bakteria pengikat nitrogen. Ia juga tidak mempunyai jentera dalaman untuk mengikat N₂ sendiri, kerana Mereka kekurangan enzim nitrogenase yang dimiliki oleh bakteria tertentu.
Pasukan Rubio menggunakan sebagai model bakteria pengikat nitrogen yang dikaitkan dengan yis pembuat roti, yang dikenali sebagai Azotobacter vinelandii (sering disalahtafsirkan dalam sesetengah media), mampu mengikat nitrogen dengan cekap. Ideanya adalah untuk memindahkan gen yang terlibat dalam pengikatan nitrogen daripada bakteria ini kepada tumbuhan.
Di makmal, para penyelidik sedang berusaha untuk memperkenalkan dan menyelaraskan ekspresi gen bakteria ini dalam sel tumbuhan, dengan tujuan untuk membolehkan bijirin mengaktifkan sistem penetapan nitrogen berfungsi secara dalamanIa merupakan satu cabaran besar, kerana nitrogenase sangat kompleks dan sangat sensitif terhadap oksigen, jadi ia memerlukan keadaan yang sangat spesifik untuk berfungsi.
Jika matlamat itu dicapai, walaupun sebahagiannya, ia boleh mewakili revolusi untuk pertanian dunia: bijirin boleh menampung sebahagian besar keperluan nitrogen mereka sendiri, mengurangkan penggunaan baja sintetik dan, akibatnya, pencemaran tanah, air dan udara yang berkaitan dengan penghasilan dan penggunaannya.
Baja kimia dan kemampanan pertanian
Pada masa ini, baja nitrogen adalah penting untuk mengekalkan hasil yang tinggi pengeluaran bijirin globalTerima kasih kepada mereka, adalah mungkin untuk memberi makan kepada populasi yang sentiasa berkembang, tetapi kebergantungan ini mempunyai kos alam sekitar yang semakin sukar untuk ditanggung.
Sintesis baja perindustrian menggunakan sejumlah besar tenaga dan mengeluarkan gas rumah hijau; penggunaannya yang intensif di lapangan menyebabkan pencemaran udara daripada pelepasan nitrogen oksida dan ammoniadan larian air membawa nitrat ke sungai, akuifer dan laut, sekali gus menggalakkan proses seperti eutrofikasi.
Di samping itu, penggunaan baja yang berlebihan dan amalan pengurusan tertentu boleh mempercepatkan degradasi tanah pertanianmengurangkan kapasiti mereka untuk mengekalkan air dan nutrien serta memerangkap petani dalam kitaran ganas pergantungan pada input luaran.
Menurut penyelidik daripada projek bijirin pembajaan sendiri, pengurangan ketara dalam penggunaan baja ini boleh membuka pintu kepada pertanian yang jauh lebih lestariKurang baja bermakna kurang pelepasan yang berkaitan dengan pembuatannya, kurang pencemaran air dan peluang yang lebih besar untuk memulihkan tanah yang terdegradasi.
Matlamat utama adalah untuk membangunkan pelbagai jenis beras, gandum dan jagung yang mampu sebahagian besarnya menyuburkan diri sendirimenggunakan nitrogen dari udara sebagai sumber utama. Walau bagaimanapun, pasukan itu sendiri mengakui bahawa ini adalah matlamat kerumitan teknologi yang sangat besar, yang mungkin memerlukan penyelidikan selama beberapa dekad sebelum dilaksanakan secara besar-besaran di lapangan.
Infrastruktur canggih: rumah hijau dan rhizotron
Untuk melaksanakan projek-projek ini, CBGP mempunyai kemudahan sekitar 1.900 m² dikhaskan untuk penanaman tumbuhan di bawah keadaan terkawalSebahagian besar infrastruktur ini ialah rumah hijau seluas kira-kira 1.200 m² yang dilengkapi dengan kawalan iklim dan sistem pencahayaan yang canggih.
Rumah hijau ini membenarkan penanaman pelbagai spesies pertanian atau model eksperimen di bawah keadaan yang dikawal selia dengan sempurna. suhu, cahaya, kelembapan dan komposisi substratIni membolehkan pembiakan senario tekanan yang disebabkan oleh haba, kemarau atau kemasinan untuk menilai tingkah laku tumbuhan yang diubah suai atau dipilih.
Kemudahan ini mempunyai modul pembendungan jenis P2 yang direka khusus untuk mengendalikan tumbuhan transgenik. Di dalam ruang ini, suhu boleh dikawal dalam julat yang luas, kira-kira antara 10 dan 45 ºC, sesuatu yang penting untuk mensimulasikan gelombang haba atau keadaan sederhana sejuk.
Di samping itu, rumah hijau ini menggabungkan sistem fenotip digital automatik dengan robot yang bergerak melalui lorong untuk menangkap imej dan data daripada tumbuhan. Sistem ini membolehkan pemantauan aspek seperti pertumbuhan, status air dan keterukan gejala tekanan yang tepat dan berskala besar.
Satu lagi elemen infrastruktur yang sangat menarik ialah apa yang dipanggil rhizotron, struktur yang terdiri daripada plat lutsinar yang mendedahkan sistem akarTerima kasih kepada mereka, imej terperinci akar boleh diperolehi, pertumbuhan dan ketebalannya boleh diukur, dan bagaimana ia bertindak balas terhadap produk atau keadaan persekitaran yang berbeza boleh dianalisis.
Gabungan rumah hijau terkawal ini, sistem analisis robotik dan rhizotron menjadikan pusat ini persekitaran yang ideal untuk Uji varieti dan teknologi baharu sebelum meningkatkan penggunaannyaTambahan pula, kemudahan ini tidak dikhaskan semata-mata untuk pasukan dalaman: ia juga terbuka kepada projek daripada organisasi awam dan swasta lain yang berminat untuk menangani cabaran pertanian masa depan.
Semua kajian ini mengenai protein rintangan, simbiosis pengikat nitrogen dan bijirin yang mampu menggunakan titik nitrogen atmosfera ke arah model pertanian di mana tumbuhan Mereka bekerja lebih rapat dengan mikroorganisma dan dengan biologi mereka sendiri. untuk menghasilkan lebih banyak dengan input luaran yang lebih sedikit. Walaupun kebanyakan matlamat ini akan mengambil masa bertahun-tahun atau berdekad-dekad untuk menjadi kenyataan dalam skala besar, setiap kemajuan membawa kita lebih dekat kepada kemungkinan tanaman yang, secara kiasannya, "menyedut" nitrogen dari udara dan mengekalkan bekalan makanan global di planet yang berada di bawah tekanan iklim.
