I de kommende tiårene vil menneskeheten måtte fø milliarder flere mennesker på en planet under press. ekstreme hetebølger, intens tørke og forringet jordGitt dette scenariet endrer måten vi dyrker og forstår planter på seg raskt, og en av de mest fascinerende forskningslinjene er den som i folkemunne kalles «nitrogenpustende planter».
Bak denne slående ideen ligger en gigantisk utfordring: å få avlinger til å kunne utnytte nitrogen fra luften og redusere avhengigheten av kunstgjødselMens de tilpasser seg et varmere, tørrere og mer variabelt klima, er ledende sentre som Senter for plantebioteknologi og genomikk (CBGP) allerede fullt engasjert i denne utfordringen, og kombinerer bioteknologi, økologi og bærekraftig landbruk for å opprettholde matproduksjonen i en verden i stadig endring.
Hvorfor er nitrogen så viktig for planter?
Det høres kanskje overdrevet ut, men uten nitrogen ville det ikke vært noe liv slik vi kjenner det, fordi dette grunnstoffet er nøkkelen til at planter skal kunne dannes. proteiner, enzymer og pigmenter som er nødvendige for fotosynteseUten en tilstrekkelig kilde til nitrogen kan ikke en avling vokse godt, produsere biomasse eller gi akseptable avlinger.
Selv om luften vi puster inn består av omtrent en 78 % nitrogengass (N₂)Planter kan ikke bruke det direkte. Atmosfærisk nitrogen er svært stabilt, og de fleste levende ting mangler de biokjemiske verktøyene for å bryte ned dette molekylet og omdanne det til brukbare forbindelser som ammonium eller nitrat.
Under naturlige forhold får planter nitrogen hovedsakelig fra jorden, i form av nitrat- (NO₃⁻) og ammonium- (NH₄⁺) ionerDisse næringsstoffene kommer fra nedbrytning av organisk materiale eller fra biologiske fikseringsprosesser utført av mikroorganismer. Når jorden er fattig på nitrogen, lider planter av klorose, vokser dårlig, og produktiviteten deres synker.
For å kompensere for denne begrensningen har moderne landbruk vært avhengig av kunstgjødsel som leverer store mengder nitrogen. Problemet er at modellen har blitt uholdbar på grunn av høyt energiforbruk, karbonavtrykk og forurensning av jord, vann og atmosfære forbundet med overforbruk av kjemisk gjødsel.
Mye av dagens forskning fokuserer på å forstå og bedre utnytte de naturlige strategiene som noen organismer og noen plante-mikrobe-assosiasjoner er i stand til å bruke. å binde atmosfærisk nitrogen og gjøre det tilgjengelig for økosystemer.
Biologisk nitrogenfiksering: bakterienes triks
Selv om planter ikke kan bruke nitrogengass direkte, kan visse bakterier det, takket være en et høyspesialisert enzym kalt nitrogenaseDette proteinet er i stand til å bryte ned atmosfærisk N₂ og omdanne det til nitrogenholdige forbindelser som over tid blir en del av næringskjeden.
Disse nitrogenfikserende bakteriene finnes både fritt i jorden og i nær tilknytning til røttene til visse plantearter. Noen av dem etablerer seg svært nære symbiotiske forhold til planter, som lever i spesielle strukturer som dannes i røttene og tillater en veldig finjustert utveksling av ressurser.
I såkalte symbiotiske nitrogenfikserende planter er planten vert for bakteriene og forsyner den med sukkerarter oppnådd gjennom fotosyntese, mens mikroorganismen gjengjelder tjenesten. tilfører «nytt» nitrogen fra atmosfærenDenne utvekslingen er så effektiv at den kan dekke en stor del av avlingens behov og berike jorden for fremtidige planter.
Når disse plantene som er assosiert med bakterier fullfører livssyklusen sin og restene deres innlemmes i jorden, frigjøres nitrogenet de har samlet i vevet gjennom en prosess kjent som nitrogenmineraliseringOrganisk materiale brytes ned, og organisk nitrogen omdannes til ammonium og nitrat, former som andre planter lett kan absorbere.
Dermed spiller plantesamfunn som inkluderer nitrogenfiksere en avgjørende rolle i naturlig fruktbarhet i mange økosystemer og landbrukssystemerreduserer behovet for å tilføre så mye ekstern gjødsel.
Planter som «puster» nitrogen: belgfrukter, knoller og symbiose
Den mest kjente gruppen planter assosiert med nitrogenfikserende bakterier er belgfrukter, en enorm familie som inkluderer hverdagsvekster som erter, bønner, linser, kikerter, hestebønner eller kløverDisse artene har gjennom evolusjonen utviklet evnen til å danne knuter på røttene sine for å gi ly for spesifikke bakterier.
I dette forholdet sender planten ut kjemiske signaler til rotsonen som tiltrekker seg visse jordbakterier som er i stand til å fiksere nitrogen. Når kontakten er etablert, begynner roten å danne seg spesialiserte strukturer kalt nodulersom fungerer som små, beskyttede «biologiske reaktorer», der bakterier lever og arbeider under passende forhold.
Inne i disse knutene binder bakterier atmosfærisk nitrogen og omdanner det til nitrogenholdige forbindelser som strømmer inn i planten, mens planten sender sukkerarter og andre forbindelser til bakteriene for å holde dem aktive. Selv om disse mikroorganismene ikke utfører fotosyntese, er de avhengige av kjemisk energi generert av planten takket være sollys.
Det praktiske resultatet er at avlingen får en kontinuerlig kilde til nitrogen uten å trenge så mye ekstern gjødsel, og noe av dette nitrogenet vil forbli i jorden når planten dør eller når planterester innlemmes gjennom landbrukspraksis. Faktisk, Nedbrytningen av belgfruktrester beriker nitrogeninnholdet i jorden betydelig.
Denne mekanismen forklarer hvorfor belgfrukter ofte brukes i vekstskifter eller som grønngjødsel: de produserer ikke bare mat, men bidrar også til å for å forbedre jordstykkets fruktbarhet og støtte mer bærekraftige jordbrukssystemer på mellomlang og lang sikt.
Utbredelse og mangfold av nitrogenfikserende planter
Den økologiske rollen til planter assosiert med nitrogenfikserende bakterier er så viktig at flere vitenskapelige team har studert deres storskala utbredelse i detalj. I USA har forskere fra ulike sentre, som f.eks. Florida Museum of Natural History og universitetene i Louisiana og MississippiDe har analysert registreringer av stedegne og invasive arter på dusinvis av steder for å bedre forstå dette mønsteret.
Ved første øyekast skulle man kanskje tro at det i nitrogenfattig jord burde være større overflod og mangfold av jordfikserende plantersiden dens konkurransefortrinn ville være større i miljøer begrenset av dette næringsstoffet. Detaljert analyse kvalifiserer imidlertid denne tilsynelatende logiske ideen betydelig.
Ved sammenligning av ulike regioner observerte forskerne at antallet nitrogenfikserende planter hadde en tendens til å økning i områder med mindre nitrogen tilgjengelig i jordenDette stemmer overens med den klassiske hypotesen. Men de observerte også at etter hvert som miljøene ble tørrere, minket den totale forekomsten av disse plantene.
Det mest slående funnet var at da de så på mangfoldet av native nitrogenfiksere, oppdaget de et annet mønster: Mangfoldet av stedegne jordfikserende arter vokste bemerkelsesverdig i tørre områderuavhengig av mengden nitrogen som er tilstede i jorden. Det vil si at der vannforholdene er tøffere, kan utbredelsen av stedegne nitrogenfikserende planter være svært høy.
Disse resultatene viser at fordelingen av planter som er vert for nitrogenfikserende bakterier i stor skala ikke bare avhenger av jordnitrogen, men av en kompleks kombinasjon av faktorer som vanntilgjengelighet, evolusjonær historie og dynamikken i plantesamfunnÅ forstå disse mønstrene er nøkkelen til å utforme landbrukssystemer som er bedre egnet for hver region.
CBGPs rolle: plantebioteknologi i møte med klimaendringer
Selv om det gjøres fremskritt i den økologiske forståelsen av rotfestende planter, har forskningssentre som Senter for plantebioteknologi og genomikk (CBGP), knyttet til Polytekniske universitet i Madrid, fokuserer på en annen front: å tilpasse avlinger til det ekstreme klimaet vi allerede opplever, og som vil intensiveres i de kommende tiårene.
Prognoser indikerer at innen midten av århundret vil omtrent 9.700 millioner mennesker på en planet som er varmere, tørrere og utsatt for mye hyppigere ekstremværhendelser. Året 2024 var allerede et av de varmeste som er registrert, og i Europa var titusenvis av dødsfall knyttet til hetebølger, med Spania som et av de hardest rammede landene.
Gitt dette scenariet studerer de på en omfattende måte ved CBGP hvordan planter vokser, hvordan de samhandler med mikroorganismer i miljøet sitt og hvordan de reagerer på miljøendringer som økt temperatur, langvarig tørke eller saltinnhold i jordbruksjord.
Et av senterets hovedmål er å utvikle nye avlingssorter, eller å velge blant eksisterende sorter de som er i stand til opprettholde akseptable avlinger under miljøstressDette innebærer ikke bare å tolerere ugunstige forhold, men å gjøre det uten å være så avhengig av eksterne tilførselsfaktorer som gjødsel og vann.
For å oppnå dette analyserer forskere de molekylære mekanismene som gjør at visse planter bedre tåler miljøpåvirkninger. De identifiserer forsvarsproteiner, signalveier og nøkkelgener som aktiveres under ekstreme forhold, og bruker denne informasjonen til å generere det de kaller «konseptbevis».
I disse testene lager de transgene planter som akkumulerer visse proteiner eller aktiverer spesifikke toleransemekanismer, for å verifisere om de faktisk forbedrer ytelsen sin i møte med tørke, varme eller saltinnhold. På denne måten, De bekrefter eksperimentelt hvilke strategier som er mest effektive. før man vurderer en storstilt søknad.
Mer robuste avlinger: tomater, kål og matsikkerhet
Et av de mest fremtredende resultatene av denne tilnærmingen har vært utviklingen av tomatplanter med høy salttoleranseDette er et stadig vanligere problem i jordbruksområder der vanning og intens fordampning konsentrerer salter i jorden. CBGP-teamet har utviklet transgene varianter som er mer motstandsdyktige mot disse saltnivåene.
Disse hardføre tomatene har allerede gitt opphav til en europeisk patentsøknadTanken er å utvide teknologien til andre avlinger som er spesielt følsomme for saltinnhold, som erter, bønner, mais eller jordbær. Hvis dette lykkes, vil dette representere en stor fordel i områder der vanningsvannet har begrenset kvalitet eller jorden har blitt forringet.
Samtidig jobber gruppen med å overføre disse fremskrittene til de såkalte brassicas, en plantefamilie som inkluderer kål, brokkoli og andre viktige grønnsaker i kostholdet. Å øke motstandskraften til disse basisgrønnsakene ville bety å ivareta en svært viktig del av matsikkerheten i et usikkert klimamiljø.
Det er imidlertid ikke så enkelt som å bare introdusere forsvarsproteiner, og det er det. Mange av disse proteinene tilhører familier som også inneholder matallergenerDette krever ekstra forholdsregler. Ikke alle immunproteiner er allergifremkallende, men noen kan utløse reaksjoner hos følsomme individer.
Av denne grunn har CBGP et spesialisert allergenteam som grundig evaluerer disse proteinene. Arbeidet deres fokuserer på å identifisere Hvilke strukturelle egenskaper gjør et protein til et potensielt allergen? og hvilke som ikke er det, slik at trygge bioteknologiske løsninger for konsum kan utformes.
Denne strenge tilnærmingen er avgjørende for at innovasjon innen genmodifiserte eller forbedrede avlinger skal få en reell plass i markedet, og garanterer mattrygghet og ansvarlig utvikling av nye varianter som bidrar til å håndtere klimaendringer uten å skape ytterligere problemer.
Mot korn som «puster» nitrogen fra luften
Blant de mest ambisiøse prosjektene som gjennomføres ved CBGP, skiller det som ledes av forskeren seg ut. Luis Rubiofinansiert av Gates Foundation. Målet er like enkelt å forklare som det er vanskelig å oppnå: å lage korn som er i stand til å å fange og metabolisere nitrogen fra luftendrastisk reduksjon av avhengigheten av kjemisk gjødsel.
I motsetning til belgfrukter danner ikke basisvekster som ris, hvete eller mais naturlig så kraftige symbiotiske forbindelser med nitrogenfikserende bakterier. De har heller ikke det interne maskineriet til å fiksere N₂ på egenhånd, siden De mangler nitrogenase-enzymet som visse bakterier har.
Rubios team bruker som modell en nitrogenfikserende bakterie knyttet til bakegjær, kjent som Azotobacter vinelandii (ofte feilrepresentert i noen medier), i stand til å binde nitrogen effektivt. Tanken er å overføre genene som er involvert i nitrogenfiksering fra disse bakteriene til planter.
I laboratoriet jobber forskere med introduksjon og koordinert uttrykk av disse bakteriegenene i planteceller, med mål om å gjøre det mulig for korn å aktiverer internt et funksjonelt nitrogenfikseringssystemDet er en enorm utfordring, fordi nitrogenase er svært kompleks og ekstremt følsom for oksygen, så den krever svært spesifikke forhold for å fungere.
Hvis dette målet oppnås, om enn delvis, kan det representere en revolusjon for verdens landbruk: korn kan dekke en stor del av nitrogenbehovet på egenhånd, noe som reduserer bruken av kunstgjødsel og dermed Jord-, vann- og luftforurensning knyttet til produksjon og anvendelse.
Kunstgjødsel og bærekraftig landbruk
For tiden er nitrogengjødsel avgjørende for å opprettholde høye avlinger av global kornproduksjonTakket være dem har det vært mulig å fø en stadig voksende befolkning, men denne avhengigheten har en miljøkostnad som blir stadig vanskeligere å bære.
Industriell syntese av gjødsel bruker store mengder energi og slipper ut klimagasser; intensiv bruk av gjødsel på jordet forårsaker luftforurensning fra utslipp av nitrogenoksider og ammoniakkog avrenning fører nitrater til elver, akviferer og hav, noe som favoriserer prosesser som eutrofiering.
I tillegg kan overdreven bruk av gjødsel og visse forvaltningsmetoder akselerere nedbrytning av jordbruksjordreduserer deres evne til å holde på vann og næringsstoffer og fanger bøndene i en ond sirkel av avhengighet av eksterne innsatsfaktorer.
Ifølge forskere fra prosjektet med selvgjødsling av korn, kan en betydelig reduksjon i bruken av disse gjødselene åpne døren for en mye mer bærekraftig landbrukMindre gjødsel betyr færre utslipp knyttet til produksjonen, mindre vannforurensning og større sjanse for å gjenvinne degradert jord.
Det endelige målet er å utvikle varianter av ris, hvete og mais som er i stand til å i stor grad selvgjødslingved å bruke nitrogen fra luften som primærkilde. Teamet erkjenner imidlertid selv at dette er et mål med enorm teknologisk kompleksitet, som sannsynligvis vil kreve flere tiår med forskning før det implementeres i stor skala i felten.
Toppmoderne infrastruktur: drivhus og rhizotroner
For å gjennomføre disse prosjektene har CBGP fasiliteter på rundt 1.900 m² dedikert til dyrking av planter under kontrollerte forholdEn sentral del av denne infrastrukturen er et drivhus på omtrent 1.200 m² utstyrt med avanserte klimakontroll- og belysningssystemer.
Disse drivhusene tillater dyrking av forskjellige arter av landbruksinteresse eller eksperimentelle modeller under perfekt regulerte forhold. temperatur, lys, fuktighet og substratsammensetningDette muliggjør reproduksjon av stressscenarier forårsaket av varme, tørke eller saltinnhold for å evaluere oppførselen til modifiserte eller utvalgte planter.
Anlegget har P2-type inneslutningsmoduler som er spesielt utviklet for arbeid med transgene planter. Innenfor disse rommene kan temperaturen kontrolleres over et bredt område, omtrent mellom 10 og 45 ºC, noe som er nøkkelen til å simulere hetebølger eller moderat kalde forhold.
I tillegg har drivhuset et system av automatisert digital fenotyping med roboter som beveger seg gjennom gangene for å fange bilder og data fra plantene. Dette systemet muliggjør presis og storskala overvåking av aspekter som vekst, vannstatus og alvorlighetsgraden av stresssymptomer.
Et annet svært interessant element i infrastrukturen er de såkalte rhizotronene, strukturer som består av gjennomsiktige plater som eksponerer rotsystemetTakket være dem kan man få detaljerte bilder av røttene, måle veksten og tykkelsen deres, og analysere hvordan de reagerer på ulike produkter eller miljøforhold.
Kombinasjonen av disse kontrollerte drivhusene, robotanalysesystemene og rhizotronene gjør senteret til et ideelt miljø for Test nye varianter og teknologier før du skalerer opp bruken av demDessuten er disse fasilitetene ikke kun forbeholdt interne team: de er også åpne for prosjekter fra andre offentlige og private organisasjoner som er interessert i å svare på fremtidens landbruksutfordringer.
All denne forskningen på resistensproteiner, nitrogenfikserende symbioser og korn som er i stand til å utnytte atmosfærisk nitrogen, peker mot en landbruksmodell der planter De samarbeider tettere med mikroorganismer og med sin egen biologi. å produsere mer med færre eksterne innsatser. Selv om det vil ta år eller tiår før mange av disse målene blir virkelighet i stor skala, bringer hvert fremskritt oss litt nærmere muligheten for avlinger som, billedlig talt, «puster» nitrogen fra luften og opprettholder globale matforsyninger på en planet under klimapress.
