محققان دانشگاه آرهوس هفت ترکیب طبیعی ریشه گندم را شناسایی کردهاند که باکتریهای نیتریفیککننده خاک را بهشدت مهارکنندههای نیتریفیکاسیون مصنوعی سرکوب میکنند و مسیر بالقوهای را به سوی گونههای گندمی باز میکنند که نیتروژن مصرفی بیشتری را بدون نیاز به ورودیهای شیمیایی اضافی یا قربانی کردن محصول حفظ میکنند.
کشاورزی با مشکل نیتروژن مواجه است
کمتر از نیمی از نیتروژن مورد استفاده به عنوان کود در واقع توسط محصولات جذب می شود و باقیمانده از طریق شستشو در آبراه ها یا انتشار گاز در جو به عنوان اکسید نیتروژن، یک گاز گلخانه ای قوی، از دست می رود. برای دههها پاسخ اولیه محدودیتهای نظارتی بر میزان کاربرد و بازدارندههای نیتریفیکاسیون مصنوعی بوده است، مواد شیمیایی که تبدیل میکروبی آمونیوم به نیترات را کند میکنند، اما پرهزینه هستند، به کاربرد مکرر نیاز دارند و میتوانند بر ارگانیسمهای غیرهدف خاک تأثیر بگذارند.
تیم آرهوس به رهبری پورنا کومار خاتری، محقق فوق دکترا، بررسی کرد که آیا خود گندم می تواند نسخه ای از این عملکرد را از نظر بیولوژیکی انجام دهد یا خیر. کار آنها بر روی مهار بیولوژیکی نیتریفیکاسیون متمرکز است، فرآیندی که در آن ریشههای گیاه ترکیبات طبیعی را آزاد میکنند که میکروبهای نیتریفیککننده مسئول تبدیل آمونیوم به شکل نیترات مستعد شستهشوندگی را سرکوب میکنند.
بنزوکسازینوئیدها چیست؟
بنزوکسازینوئیدها متابولیت های ثانویه ای هستند که به طور طبیعی توسط محصولات غلات از جمله گندم، ذرت و چاودار تولید می شوند و به طور سنتی به دلیل نقش آنها در دفاع گیاه در برابر حشرات، علف های هرز و نماتدها مورد مطالعه قرار گرفته اند. محققان آرهوس 18 ترکیب مختلف بنزوکسازینوئید را با استفاده از سنجش بیولومینسانس با Nitrosomonas europaea، یک باکتری مدل نیتریف کننده، غربالگری کردند و هفت - شامل BOA، MBOA، DIBOA و DIMBOA - را یافتند که قادر به سرکوب قوی در غلظت های نسبتا کم هستند. از آنجایی که این ترکیبات توسط خود گیاه تولید و منتشر می شوند نه اینکه به صورت خارجی استفاده شوند، مکانیسم تحویل اساساً متفاوتی نسبت به بازدارنده های مصنوعی ارائه می دهند: انتشار مداوم و موضعی دقیقاً در مکان و زمانی که گیاه نیاز به محافظت از نیتروژن موجود دارد.
خطوط گندم مهندسی شده نشان می دهد که این اثر می تواند تقویت شود
این مطالعه یک لاین والد معمولی گندم را با دو خط گندم حامل یک قطعه کروموزوم از Leymus racemosus مقایسه کرد، یک علف وحشی که ویژگیهای مهار نیتریفیکاسیون بیولوژیکی را افزایش میدهد. لاینهای تقویتشده بهصورت هیدروپونیک، غلظتهای قابلتوجهی بالاتری از بنزوکسازینوئیدهای فعال را نسبت به خط اصلی منتشر کردند، و ترشحات ریشهشان نیتریفیکاسیون را تا دو برابر قویتر سرکوب کرد، نتیجهای که مستقیماً با غلظتهای ترکیب بالاتر اندازهگیری شده مرتبط بود.
کار مدلسازی ذکر شده توسط محققان نشان میدهد که گیاهان زراعی با قابلیت -نیتریفیکاسیون-ممانعت-بیولوژیکی میتوانند تلفات نیتروژن را 20% تا 30% کاهش دهند و آزمایشهای مزرعهای اولیه هیچ جریمه عملکردی مرتبط با این صفت را نشان ندادهاند، به این معنی که کشاورزان اصولاً میتوانند کود کمتری را در حین برداشت در مقایسه با دانه مصرف کنند. ختری گفت که بزرگی این فرصت حتی با افزایش بازدهی متوسط قابل توجه است: "اگر بتوانید کارایی استفاده از نیتروژن را حتی تا ده درصد در شرایط مزرعه واقعی افزایش دهید، صرفه جویی مطلق در کود و انتشار گازهای گلخانه ای بسیار زیاد است."
از شیمی تا هدف پرورشی
هدف بلندمدت-ترجمه یافته های شیمیایی به یک استراتژی اصلاحی است: هنگامی که محققان تشخیص دادند که کدام مسیرهای بیوسنتزی مؤثرترین ترکیبات بازدارنده نیتریفیکاسیون{1}}را تولید می کند، پرورش دهندگان نباتی می توانند گونه های گندمی را انتخاب کنند که این صفات را قوی تر بیان می کنند، بدون اینکه کشاورزان نیاز به تغییر رویه یا خرید محصولات جدید داشته باشند. این تحقیق بخشی از پروژه بینالمللی گستردهتر CropSustain است که در آن گروههای تحقیقاتی موازی در حال بررسی چگونگی تأثیر این ویژگیها بر میکروبیومهای خاک و موجودات غیرهدف در بازههای زمانی طولانیتر - هستند، سؤالی که برای جذب نظارتی و تجاری مهم است، حتی اگر زیستشناسی زیربنایی قوی ثابت شود.
این یافتهها در حالی به دست میآیند که بازارهای جهانی نیتروژن به دنبال اختلال در تنگه هرمز، که قیمت اوره را قبل از اصلاح نسبی به نزدیک-به بالاترین حد رکورد در اوایل سال جاری رساند، همچنان بیثبات است. در حالی که جدولهای زمانی پرورش نیتریفیکاسیون-ممانعت از گونههای گندم در افق چند ساله-بهجای ارائه تسکین فوری انجام میشود، این تحقیق به مجموعه رو به رشدی از جایگزینهای بیولوژیکی - در کنار نیتروژن میکروبی{5}}تثبیت محصولاتی که قبلاً توسط شرکتهای تجاری از جمله Pivot} تجاری شدهاند، اضافه میکند. ورودی های نیتروژن مصنوعی
این مطالعه با عنوان «بنزوکسازینوئیدها به عنوان ترکیبات کاندید برای مهار نیتریفیکاسیون بیولوژیکی در گندم» در فیزیولوژی گیاهی و بیوشیمی منتشر شد و با همکاری دانشگاه کپنهاگ، دانشگاه آبردین و مرکز بینالمللی بهبود ذرت و گندم مکزیک (CIMMYT) انجام شد.
