محققان نشان دادهاند که ماشینهای ژنتیکی مسئول تثبیت بیولوژیکی نیتروژن میتوانند به سویههای جدیدی از باکتریها منتقل شوند و درک روشنتری از چگونگی گسترش این صفت مهم کشاورزی در طبیعت فراهم کنند و به طور بالقوه راههای جدیدی را برای کاهش وابستگی کشاورزی به کودهای نیتروژن مصنوعی باز کنند.
یافته ها، منتشر شده درزیست شناسی کنونیدر 28 مه، روی ریزوبیاهای وحشی-باکتری های خاک که روابط همزیستی با گیاهان حبوبات مانند نخود و لوبیا ایجاد می کنند، تمرکز کنید. این باکتریها نیتروژن اتمسفر را به اشکالی تبدیل میکنند که گیاهان میتوانند از آن استفاده کنند و به حبوبات اجازه میدهند با کود نیتروژن خارجی کم یا بدون کود خارجی رشد کنند. دانشمندان می گویند این مطالعه نشان می دهد که چگونه ژن های حاکم بر این همزیستی را می توان توسط دودمان باکتریایی که قبلاً فاقد این توانایی بودند، به دست آورد، که گامی کلیدی در جهت گسترش تثبیت بیولوژیکی نیتروژن به سایر محصولات است.
درک اساس ژنتیکی همزیستی
این مطالعه که توسط Angeliqua P. Montoya و همکارانش رهبری شد، ژنومیک تکاملی روابط اندوسیمبیوتیک تازه در حال ظهور را در ریزوبیاهای وحشی مورد بررسی قرار داد. با ردیابی نحوه حرکت ژنهای تثبیت کننده نیتروژن بین جمعیتهای باکتریایی، محققان توانستند مسیرهای ژنتیکی را شناسایی کنند که باکتریها را قادر میسازد تا مشارکت موفقی با گیاهان برقرار کنند.
تثبیت نیتروژن در حبوبات به گره های ریشه تخصصی بستگی دارد، جایی که ریزوبیا کربوهیدرات ها را از گیاه میزبان در ازای نیتروژن ثابت بیولوژیکی دریافت می کند. در حالی که این رابطه به طور طبیعی طی میلیونها سال تکامل یافته است، دانشمندان مدتهاست که به دنبال راههایی برای تکرار سیستمهای مشابه در محصولات غیر حبوبات هستند.
این تحقیق شواهد جدیدی را ارائه میکند که نشان میدهد ویژگیهای ژنتیکی مورد نیاز برای همزیستی میتوانند در دودمانهای باکتریایی پخش شوند، و نشان میدهد که تکامل شراکتهای تثبیت نیتروژن ممکن است انعطافپذیرتر از آنچه قبلاً درک شده بود باشد. چنین یافته هایی می تواند به محققان کمک کند تا پیش نیازهای ژنتیکی مورد نیاز برای ایجاد روابط مشابه در باکتری های مرتبط با محصولات غلات را شناسایی کنند.
چرا پیشرفت برای بازارهای کود مهم است
اهمیت تثبیت بیولوژیکی نیتروژن فراتر از بیولوژی گیاهی است. بسیاری از محصولات اصلی اصلی جهان-از جمله گندم، ذرت و برنج-نمیتوانند نیتروژن جو را تثبیت کنند و بنابراین به شدت به کودهای نیتروژنی تولید شده از طریق فرآیند Haber{3}بوش وابسته هستند.
ساخت آمونیاک، پایه کودهای نیتروژن، یکی از انرژی{0}}فشرده ترین فرآیندهای صنعتی در سطح جهان است و همچنان در معرض هزینه های گاز طبیعی، اختلالات ژئوپلیتیکی و محدودیت های تجاری قرار دارد. نوسانات اخیر در بازارهای کود، از جمله نگرانی های عرضه مرتبط با مسیرهای کشتیرانی خاورمیانه و کنترل صادرات از کشورهای عمده تولیدکننده، علاقه به فناوری هایی را که می توانند وابستگی به نیتروژن مصنوعی را کاهش دهند، دوباره افزایش داده است.
اگر محصولات غلات بتوانند سهم معنی داری از نیاز نیتروژن خود را از طریق تثبیت بیولوژیکی بدست آورند، پیامدهای طولانی مدت برای تقاضای کود می تواند قابل توجه باشد. در حالی که چنین انتقالی دور باقی می ماند، سرمایه گذاری قابل توجهی را از سوی شرکت های بیوتکنولوژی کشاورزی، توسعه دهندگان ورودی بیولوژیکی و تامین کنندگان عمده{2}}مواد مغذی{2}}که به دنبال راه حل های مدیریتی پایدارتر مواد مغذی{3}} هستند، جذب کرده است.
با تکیه بر پیشرفت های قبلی
مطالعه جدید به تحقیقات رو به رشدی اضافه می کند که هدف آنها درک مکانیسم های مولکولی حاکم بر همزیستی میکروب های گیاهی-است. تحقیقات قبلی پروتئینهای گیاهی خاص، مسیرهای سیگنال دهی و پاسخهای کلسیمی-را شناسایی کردهاند که تعیین میکنند آیا گیاهان باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن را میپذیرند یا رد میکنند.
محققان قبلاً اثبات کرده اند-اصلاحات-مفهومی در گیاهان مدل و برخی گونه های غلات، از جمله جو، که نشان می دهد اجزای شبکه سیگنال دهی همزیستی را می توان دستکاری کرد. با این حال، دستیابی به تثبیت نیتروژن قابل اعتماد و معنادار اقتصادی در محصولات عمده غلات یکی از جاه طلبانه ترین اهداف در علم کشاورزی است.
یافتههای زیستشناسی کنونی با تمرکز بر جنبههای میکروبی رابطه، چشمانداز مکملی را ارائه میکند و نشان میدهد که چگونه قابلیتهای تثبیت نیتروژن-در میان جمعیتهای باکتریایی در محیطهای طبیعی پدیدار میشوند و گسترش مییابند.
استقرار تجاری سال ها باقی مانده است
علیرغم پیشرفت علمی، محققان هشدار می دهند که کاربردهای عملی کشاورزی همچنان یک هدف بلند مدت باقی می ماند. نشان دادن انتقال ژن و قابلیت همزیستی در سیستمهای باکتریایی وحشی نشاندهنده یک نقطه عطف علمی مهم است، اما چالشهای قابلتوجهی پیش از تبدیل چنین اکتشافاتی به محصولات تجاری باقی میماند.
بخش کودهای بیولوژیکی در دهه گذشته سرمایههای مخاطرهآمیز و سرمایهگذاری شرکتهای بزرگ را جذب کرده است، با این حال این صنعت نیز با مشکلاتی روبرو شده است زیرا شرکتها در تلاش برای بازتولید مداوم نتایج آزمایشگاهی در شرایط مزرعه هستند. دستیابی به استعمار پایدار، نرخ تثبیت نیتروژن کافی و بازده اقتصادی برای کشاورزان همچنان یک چالش پیچیده است.
در نتیجه، بعید است که آخرین یافته ها تاثیر فوری بر تقاضای کود داشته باشد. در عوض، آنها به یک پایه علمی رو به رشد کمک می کنند که در نهایت می تواند از توسعه{{1} نسل بعدی فناوری های میکروبی که برای تکمیل یا جایگزینی جزئی کاربردهای نیتروژن مصنوعی طراحی شده است، پشتیبانی کند.
گام های بعدی برای محققان
مرحله بعدی تحقیقات بر روی این موضوع تمرکز خواهد کرد که آیا مکانیسم های ژنتیکی شناسایی شده در ریزوبیاهای وحشی را می توان در گونه های باکتریایی که به طور طبیعی با ریشه های غلات مرتبط هستند معرفی کرد. سپس دانشمندان باید تعیین کنند که آیا این جوامع میکروبی مهندسی شده می توانند نیتروژن ثابت بیولوژیکی کافی را برای ارائه مزایای قابل اندازه گیری زراعی در شرایط کشاورزی تجاری فراهم کنند یا خیر.
موفقیت نشان دهنده یک تغییر عمده در تغذیه محصول است که به طور بالقوه به کشاورزان اجازه می دهد مصرف کود را کاهش دهند و در عین حال عملکرد را حفظ کنند. با این حال، در حال حاضر، این کار به عنوان یک گام اولیه اما قابل توجه به سوی یکی از{1}}ترین اهداف کشاورزی باقی مانده است: قادر ساختن محصولات عمده غلات برای دسترسی به نیتروژن از طریق مشارکت های بیولوژیکی به جای اتکای کامل به کودهای تولیدی.
