Изследователите са показали, че генетичната машина, отговорна за биологичната азотна фиксация, може да бъде прехвърлена в нови щамове бактерии, осигурявайки по-ясно разбиране за това как тази важна селскостопанска характеристика се разпространява в природата и потенциално открива нови пътища за намаляване на зависимостта на селското стопанство от синтетичните азотни торове.
Констатациите, публикувани вАктуална биологияна 28 май се фокусирайте върху дивите ризобии-почвени бактерии, които образуват симбиотични връзки с бобови култури като грах и боб. Тези бактерии превръщат атмосферния азот във форми, които растенията могат да използват, позволявайки на бобовите растения да растат с малко или без външен азотен тор. Учените казват, че проучването хвърля светлина върху това как гените, управляващи тази симбиоза, могат да бъдат придобити от бактериални линии, които преди това не са имали тази способност, ключова стъпка към разширяване на биологичната фиксация на азот към други култури.
Разбиране на генетичната основа на симбиозата
Проучването, ръководено от Angeliqua P. Montoya и колеги, изследва еволюционната геномика на новопоявилите се ендосимбиотични връзки в дивата ризобия. Проследявайки как азот{2}}фиксиращите гени се движат между бактериалните популации, изследователите успяха да идентифицират генетични пътища, които позволяват на бактериите да установяват успешни партньорства с растенията.
Фиксирането на азот в бобовите растения зависи от специализирани коренови нодули, където ризобиите получават въглехидрати от растението гостоприемник в замяна на биологично фиксиран азот. Въпреки че тази връзка се е развила естествено в продължение на милиони години, учените отдавна са търсили начини да възпроизведат подобни системи в не-бобовите култури.
Изследването предоставя ново доказателство, че генетичните черти, необходими за симбиозата, могат да се разпространят в бактериални линии, което предполага, че еволюцията на азот{0}}фиксиращите партньорства може да е по-гъвкава, отколкото се е разбирало досега. Такива открития биха могли да помогнат на изследователите да идентифицират генетичните предпоставки, необходими за установяване на подобни взаимоотношения в бактериите, свързани със зърнени култури.
Защо пробивът има значение за пазарите на торове
Значението на биологичното фиксиране на азот се простира далеч отвъд растителната биология. Повечето от основните основни култури в света-включително пшеница, царевица и ориз-не могат да фиксират атмосферния азот и следователно зависят в голяма степен от азотни торове, произведени чрез процеса на Haber-Bosch.
Производството на амоняк, основата на азотните торове, е един от най-енергийно-промишлените процеси в световен мащаб и остава силно изложено на разходи за природен газ, геополитически сътресения и търговски ограничения. Неотдавнашната нестабилност на пазарите на торове, включително опасенията за доставките, свързани с корабоплаването в Близкия изток и контрола върху износа от основните страни производителки, поднови интереса към технологии, които биха могли да намалят зависимостта от синтетичния азот.
Ако зърнените култури могат да получат значителна част от азотните си нужди чрез биологична фиксация, дългосрочните- последици за търсенето на торове могат да бъдат значителни. Въпреки че подобен преход остава далечен, той привлече значителни инвестиции от компании за селскостопански биотехнологии, разработчици на биологични суровини и големи доставчици на-хранителни вещества за култури, търсещи по-устойчиви решения за-управление на хранителни вещества.
Надграждане на предишни постижения
Новото проучване допълва нарастващия брой изследвания, насочени към разбиране на молекулярните механизми, които управляват симбиозата на растителни-микроби. По-ранни изследвания са идентифицирали специфични растителни протеини, сигнални пътища и калций-медиирани реакции, които определят дали растенията приемат или отхвърлят азот-фиксиращи бактерии.
Изследователите вече демонстрираха доказателство-за-концептуални модификации в моделни растения и някои видове зърнени култури, включително ечемик, което показва, че компонентите на симбиотичната сигнална мрежа могат да бъдат манипулирани. Въпреки това, постигането на надеждна и икономически значима фиксация на азот в основните зърнени култури остава една от най-амбициозните цели в селскостопанската наука.
Констатациите на Current Biology предоставят допълнителна перспектива, като се фокусират върху микробната страна на връзката, разкривайки как способностите за{0}}фиксиране на азот се появяват и разпространяват сред бактериалните популации в естествена среда.
Търговското внедряване остава след години
Въпреки научния напредък, изследователите предупреждават, че практическите селскостопански приложения остават дългосрочна-цел. Демонстрирането на генен трансфер и симбиотична способност в диви бактериални системи представлява важен научен крайъгълен камък, но остават значителни предизвикателства, преди подобни открития да могат да бъдат превърнати в търговски продукти.
Секторът на биологичните торове привлече значителен рисков капитал и корпоративни инвестиции през последното десетилетие, но индустрията също претърпя неуспехи, тъй като компаниите се борят да възпроизвеждат последователно лабораторни резултати при полеви условия. Постигането на стабилна колонизация, достатъчни нива на азотна фиксация и икономическа възвръщаемост за производителите остава сложно предизвикателство.
В резултат на това е малко вероятно последните открития да окажат незабавно въздействие върху търсенето на торове. Вместо това те допринасят за нарастваща научна основа, която в крайна сметка би могла да подпомогне разработването на следващо-поколение микробни технологии, предназначени да допълнят или частично да заменят приложенията на синтетичния азот.
Следващи стъпки за изследователите
Следващата фаза на изследването ще се фокусира върху това дали генетичните механизми, идентифицирани в дивата ризобия, могат да бъдат въведени в бактериални видове, които естествено се свързват с корените на зърнени култури. След това учените трябва да определят дали тези инженерни микробни общности могат да осигурят достатъчно биологично фиксиран азот, за да осигурят измерими агрономически ползи при условия на търговско земеделие.
Успехът би представлявал голяма промяна в храненето на културите, което потенциално ще позволи на фермерите да намалят употребата на торове, като същевременно запазят добивите. Засега обаче работата остава ранна, но забележителна стъпка към една от най-търсените-цели на селското стопанство: да се даде възможност на основните зърнени култури да имат достъп до азот чрез биологични партньорства, вместо да разчитат изцяло на произведени торове.
