През следващите десетилетия човечеството ще трябва да изхрани милиарди хора на планета под натиск. екстремни горещи вълни, интензивни суши и деградирали почвиПредвид този сценарий, начинът, по който култивираме и разбираме растенията, се променя бързо и една от най-завладяващите области на изследване е тази на така наречените „азот-дишащи растения“.
Зад тази поразителна идея се крие гигантско предизвикателство: да се накарат реколтата да може оползотворяване на азота от въздуха и намаляване на зависимостта от химически торовеДокато се адаптират към по-топъл, по-сух и по-променлив климат, водещи центрове като Центъра за растителна биотехнология и геномика (CBGP) вече са напълно ангажирани с това предизвикателство, съчетавайки биотехнологии, екология и устойчиво земеделие, за да поддържат производството на храни в един постоянно променящ се свят.
Защо азотът е толкова важен за растенията?
Може да звучи преувеличено, но без азот нямаше да има живот, какъвто го познаваме, защото този елемент е ключов за образуването на растенията. протеини, ензими и пигменти, необходими за фотосинтезатаБез адекватен източник на азот, една култура не може да расте добре, да произвежда биомаса или да предлага приемливи добиви.
Въпреки че въздухът, който дишаме, е съставен от около 78% азотен газ (N₂)Растенията не могат да го използват директно. Атмосферният азот е много стабилен и повечето живи същества нямат биохимичните инструменти, за да разградят тази молекула и да я трансформират в използваеми съединения като амоний или нитрат.
В естествени условия растенията получават азот главно от почвата, под формата на нитратни (NO₃⁻) и амониеви (NH₄⁺) йониТези хранителни вещества идват от разграждането на органичната материя или от биологични процеси на фиксация, извършвани от микроорганизми. Когато почвата е бедна на азот, растенията страдат от хлороза, растат слабо и производителността им рязко спада.
За да компенсира това ограничение, съвременното земеделие разчита на синтетични торове, които доставят големи количества азот. Проблемът е, че моделът се е превърнал в... неустойчиво поради високата консумация на енергия, въглеродния отпечатък и замърсяването на почвата, водата и атмосферата, свързани с прекомерната употреба на химически торове.
Голяма част от настоящите изследвания са насочени към разбирането и по-доброто овладяване на естествените стратегии, чрез които някои организми и някои растително-микробни асоциации са способни да фиксира атмосферния азот и да го направи достъпен за екосистемите.
Биологична фиксация на азот: трикът на бактериите
Докато растенията не могат да използват азотен газ директно, някои бактерии могат, благодарение на... високоспециализиран ензим, наречен нитрогеназаТози протеин е способен да разгражда атмосферния N₂ и да го трансформира в азотни съединения, които с течение на времето стават част от хранителната верига.
Тези азотфиксиращи бактерии се срещат както свободно в почвата, така и в тясна връзка с корените на някои растителни видове. Някои от тях се установяват много близки симбиотични взаимоотношения с растенията, живеещи в специални структури които се образуват в корените и позволяват много фино настроен обмен на ресурси.
В така наречените симбиотични азотфиксиращи растения, растението е домакин на бактериите и ги снабдява със захари, получени чрез фотосинтеза, докато микроорганизмът им отвръща със същото. осигуряване на „нов“ азот от атмосфератаТози обмен е толкова ефикасен, че може да покрие голяма част от нуждите на културата и да обогати почвата за бъдещи растения.
Когато тези растения, свързани с бактерии, завършат жизнения си цикъл и останките им се вложат в почвата, азотът, който са натрупали в тъканите си, се освобождава чрез процес, известен като азотна минерализацияОрганичната материя се разлага и органичният азот се трансформира в амоний и нитрат, форми, които други растения могат лесно да абсорбират.
По този начин, растителните съобщества, които включват азотфиксатори, играят решаваща роля в естествено плодородие на много екосистеми и селскостопански системинамаляване на необходимостта от доставяне на толкова много външни торове.
Растения, които „дишат“ азот: бобови растения, нодули и симбиоза
Най-известната група растения, свързани с азотфиксиращи бактерии, са бобовите растения, огромно семейство, което включва ежедневни култури като грах, боб, леща, нахут, бакла или детелинаТези видове са развили, по време на еволюцията, способността да образуват възли по корените си, за да осигурят подслон за специфични бактерии.
В тази връзка растението излъчва химични сигнали в кореновата зона, които привличат определени почвени бактерии, способни да фиксират азот. След като се установи контакт, коренът започва да се формира. специализирани структури, наречени нодуликоито действат като малки, защитени „биологични реактори“, където бактериите живеят и работят при подходящи условия.
В тези нодули бактериите фиксират атмосферния азот и го трансформират в азотни съединения, които постъпват в растението, докато растението изпраща захари и други съединения към бактериите, за да ги поддържа активни. Въпреки че тези микроорганизми не извършват фотосинтеза, те зависят от... химическа енергия, генерирана от растението благодарение на слънчевата светлина.
Практическият резултат е, че културата получава непрекъснат източник на азот, без да се нуждае от толкова много външни торове, а част от този азот ще остане в почвата, когато растението умре или когато растителните остатъци бъдат внесени чрез земеделски практики. Всъщност, Разлагането на остатъците от бобови растения значително обогатява азотното съдържание на почвата.
Този механизъм обяснява защо бобовите растения често се използват в сеитбообороти или като зелено торене: те не само произвеждат храна, но и помагат за... да се подобри плодородието на парцела и да се подпомогнат по-устойчиви земеделски системи в средносрочен и дългосрочен план.
Разпространение и разнообразие на азотфиксиращи растения
Екологичната роля на растенията, свързани с азотфиксиращи бактерии, е толкова важна, че няколко научни екипа са проучили подробно тяхното широкомащабно разпространение. В Съединените щати изследователи от различни центрове, като например Музей по естествена история на Флорида и университетите на Луизиана и МисисипиТе са анализирали записи на местни и инвазивни видове на десетки места, за да разберат по-добре този модел.
На пръв поглед човек може да си помисли, че в бедните на азот почви трябва да има по-голямо изобилие и разнообразие на почвообвързващи растениятъй като конкурентното му предимство би било по-голямо в среди, ограничени от това хранително вещество. Подробният анализ обаче значително квалифицира тази привидно логична идея.
При сравняване на различни региони, изследователите наблюдават, че броят на растенията, които фиксират азот, има тенденция да намалява увеличаване на площите с по-малко азот в почватаТова се вписва в класическата хипотеза. Но те също така наблюдават, че с по-сухата среда, общото присъствие на тези растения намалява.
Най-поразителното откритие беше, че когато разгледаха разнообразието от местни азотфиксатори, те откриха различен модел: Разнообразието от местни видове, които фиксират почвата, нарасна значително през сухи районинезависимо от количеството азот, присъстващо в почвата. Тоест, където водните условия са по-сурови, обхватът на местните азотфиксиращи растения може да бъде много широк.
Тези резултати показват, че в голям мащаб разпространението на растения, съдържащи азотфиксиращи бактерии, зависи не само от почвения азот, но и от сложна комбинация от фактори, като например наличие на вода, еволюционна история и динамика на растителните съобществаРазбирането на тези модели е ключово за проектирането на селскостопански системи, по-подходящи за всеки регион.
Ролята на CBGP: растителна биотехнология в условията на изменението на климата
Докато се постига напредък в екологичното разбиране на растенията, които фиксират корените, изследователски центрове като Център за растителна биотехнология и геномика (CBGP), свързани с Политехническия университет в Мадрид, се фокусират върху друг фронт: адаптиране на културите към екстремния климат, който вече преживяваме и който ще се засили през следващите десетилетия.
Прогнозите показват, че до средата на века приблизително 9.700 милиони хора на планета, която е по-гореща, по-суха и подложена на много по-чести екстремни метеорологични явления. 2024 г. вече беше една от най-горещите в историята, а в Европа десетки хиляди смъртни случаи бяха свързани с горещи вълни, като Испания беше една от най-засегнатите страни.
Предвид този сценарий, в CBGP те учат по всеобхватен начин как растенията растат, как взаимодействат с микроорганизмите в средата си и как реагират на промени в околната среда, като например повишена температура, продължителна суша или засоляване на земеделските почви.
Една от основните цели на центъра е да разработва нови сортове култури или да избира от съществуващите такива, които са способни на... поддържане на приемливи добиви при стрес от околната средаТова означава не само толериране на неблагоприятни условия, но и без да се разчита толкова много на външни фактори като торове и вода.
За да постигнат това, изследователите анализират молекулярните механизми, които позволяват на определени растения да издържат по-добре на стреса от околната среда. Те идентифицират защитни протеини, сигнални пътища и ключови гени които се активират при екстремни условия и използват тази информация, за да генерират това, което наричат „доказателства за концепция“.
В тези тестове те създават трансгенни растения, които натрупват определени протеини или активират специфични механизми на толерантност, за да проверят дали те действително подобряват производителността си при условия на суша, жега или засоленост. По този начин, Те експериментално валидират кои стратегии са най-ефективни. преди да се обмисли мащабно приложение.
По-устойчиви култури: домати, кръстоцветни и продоволствена сигурност
Един от забележителните резултати от този подход е разработването на доматени растения с висока толерантност към солТова е все по-често срещан проблем в земеделските райони, където напояването и интензивното изпарение концентрират соли в почвата. Екипът на CBGP е разработил трансгенни сортове, които са по-устойчиви на тези нива на сол.
Тези издръжливи домати вече са дали началото на Европейска патентна заявкаИдеята е технологията да се разшири и към други култури, които са особено чувствителни към соленост, като грах, боб, царевица или ягоди. Ако е успешна, това би представлявало огромно предимство в райони, където водата за напояване е с ограничено качество или почвите са деградирали.
В същото време групата работи по прехвърлянето на тези постижения към така наречените Brassicas, семейство растения, което включва зеле, броколи и други основни зеленчуци в диетата. Повишаването на устойчивостта на тези основни зеленчуци би означавало запазване на много важна част от продоволствената сигурност в несигурна климатична среда.
Все пак, не е толкова просто, колкото просто въвеждането на защитни протеини и това е всичко. Много от тези протеини принадлежат към семейства, които също съдържат хранителни алергениТова налага вземането на допълнителни предпазни мерки. Не всички имунни протеини са алергенни, но някои могат да предизвикат реакции при чувствителни хора.
Поради тази причина CBGP разполага със специализиран екип за алергени, който щателно оценява тези протеини. Работата им се фокусира върху идентифицирането Какви структурни характеристики правят един протеин потенциален алерген? и кои не са, за да могат да бъдат проектирани безопасни биотехнологични решения за консумация от човека.
Този строг подход е от съществено значение, за да могат иновациите в генетично модифицираните или подобрените култури да имат реално място на пазара, гарантирайки... безопасността на храните и отговорното разработване на нови сортове които помагат за справяне с изменението на климата, без да създават допълнителни проблеми.
Към зърнени култури, които „дишат“ азот от въздуха
Сред най-амбициозните проекти, изпълнявани в CBGP, се откроява този, ръководен от изследователя. Луис Рубиофинансиран от фондация „Гейтс“. Целта му е толкова проста за обяснение, колкото и трудна за постигане: да се направят зърнени култури способни на да улавя и метаболизира азот от въздухадрастично намаляване на зависимостта от химически торове.
За разлика от бобовите растения, основните култури като ориз, пшеница или царевица не образуват естествено толкова мощни симбиотични връзки с азотфиксиращи бактерии. Нито пък притежават вътрешен механизъм за самостоятелно фиксиране на N₂, тъй като Те нямат ензима нитрогеназа които някои бактерии притежават.
Екипът на Рубио използва като модел азотфиксираща бактерия, свързана с хлебна мая, известна като Azotobacter vinelandii (често погрешно представяни в някои медии), способни да фиксират азот ефективно. Идеята е да се пренесат гените, участващи във фиксацията на азота, от тези бактерии към растенията.
В лабораторията изследователите работят върху въвеждането и координираната експресия на тези бактериални гени в растителните клетки, с цел да се даде възможност на зърнените култури да... вътрешно активиране на функционална система за азотна фиксацияТова е огромно предизвикателство, защото нитрогеназата е много сложна и изключително чувствителна към кислород, така че изисква много специфични условия, за да функционира.
Ако тази цел бъде постигната, дори частично, това би могло да представлява революция за световното земеделие: зърнените култури биха могли сами да покрият голяма част от нуждите си от азот, намалявайки употребата на синтетични торове и следователно... замърсяване на почвата, водата и въздуха, свързано с неговото производство и приложение.
Химически торове и устойчивост на селското стопанство
В момента азотните торове са от съществено значение за поддържането на високи добиви от... световно производство на зърнени културиБлагодарение на тях е възможно да се изхранва постоянно нарастващото население, но тази зависимост има екологична цена, която е все по-трудна за понасяне.
Индустриалният синтез на торове консумира големи количества енергия и отделя парникови газове; интензивното им използване на полето причинява замърсяване на въздуха от емисии на азотни оксиди и амоняки оттичането пренася нитрати към реки, водоносни хоризонти и морета, благоприятствайки процеси като еутрофикация.
Освен това, прекомерната употреба на торове и някои управленски практики могат да ускорят деградация на земеделските почвинамаляване на капацитета им да задържат вода и хранителни вещества и вкарване на земеделските производители в порочен кръг на зависимост от външни ресурси.
Според изследователи от проекта за самоопрашващи се зърнени култури, значителното намаляване на употребата на тези торове би могло да отвори вратата към... много по-устойчиво земеделиеПо-малко тор означава по-малко емисии, свързани с производството му, по-малко замърсяване на водите и по-голям шанс за възстановяване на деградирали почви.
Крайната цел е да се разработят сортове ориз, пшеница и царевица, способни до голяма степен се самооплождатизползване на азот от въздуха като основен източник. Самият екип обаче признава, че това е цел с огромна технологична сложност, която вероятно ще изисква десетилетия изследвания, преди да бъде приложена в голям мащаб в полеви условия.
Най-съвременна инфраструктура: оранжерии и ризотрони
За да осъществи тези проекти, CBGP разполага с мощности от около 1.900 м², предназначени за отглеждане на растения при контролирани условияЦентрална част от тази инфраструктура е оранжерия с площ от около 1.200 м², оборудвана с усъвършенствани системи за климатичен контрол и осветление.
Тези оранжерии позволяват отглеждането на различни видове от селскостопански интерес или експериментални модели при перфектно регулирани условия. температура, светлина, влажност и състав на субстратаТова позволява възпроизвеждането на стресови сценарии, причинени от топлина, суша или соленост, за да се оцени поведението на модифицирани или селектирани растения.
Съоръжението разполага с модули за съхранение тип P2, специално проектирани за работа с трансгенни растения. В тези пространства температурата може да се контролира в широк диапазон, приблизително между 10 и 45 ºC, нещо ключово за симулиране на топлинни вълни или умерено студени условия.
Освен това, оранжерията включва система от автоматизирано дигитално фенотипизиране с роботи, които се движат през пътеките, за да заснемат изображения и данни от растенията. Тази система позволява прецизно и мащабно наблюдение на аспекти като растеж, състояние на водата и тежестта на симптомите на стрес.
Друг много интересен елемент от инфраструктурата са така наречените ризотрони, структури, съставени от прозрачни плочи, които разкриват кореновата системаБлагодарение на тях могат да се получат подробни изображения на корените, да се измери техният растеж и дебелина, както и да се анализира как те реагират на различни продукти или условия на околната среда.
Комбинацията от тези контролирани оранжерии, роботизирани системи за анализ и ризотрони прави центъра идеална среда за Тествайте нови сортове и технологии, преди да увеличите употребата имОсвен това, тези съоръжения не са запазени единствено за вътрешни екипи: те са отворени и за проекти от други публични и частни организации, заинтересовани да отговорят на селскостопанските предизвикателства на бъдещето.
Всички тези изследвания върху резистентни протеини, азотфиксиращи симбиози и зърнени култури, способни да използват атмосферен азот, сочат към земеделски модел, при който растенията... Те работят в по-тясно сътрудничество с микроорганизмите и със собствената си биология. да произвеждаме повече с по-малко външни ресурси. Въпреки че много от тези цели ще отнемат години или десетилетия, за да станат реалност в голям мащаб, всеки напредък ни доближава малко повече до възможността за култури, които, образно казано, „дишат“ азот от въздуха и поддържат глобалните хранителни запаси на планета, подложена на климатичен натиск.
