Forskare har visat att det genetiska maskineriet som ansvarar för biologisk kvävefixering kan överföras till nya bakteriestammar, vilket ger en tydligare förståelse för hur denna avgörande jordbruksegenskap sprider sig i naturen och potentiellt öppnar nya vägar för att minska jordbrukets beroende av syntetiska kvävegödselmedel.
Fynden, publicerade iAktuell biologiden 28 maj, fokusera på vilda rhizobia-jordbakterier som bildar symbiotiska relationer med baljväxtgrödor som ärtor och bönor. Dessa bakterier omvandlar atmosfäriskt kväve till former som växter kan använda, vilket gör att baljväxter kan växa med lite eller inget yttre kvävegödselmedel. Forskare säger att studien belyser hur generna som styr denna symbios kan förvärvas av bakterielinjer som tidigare saknade förmågan, ett viktigt steg mot att utöka biologisk kvävefixering till andra grödor.
Förstå den genetiska grunden för symbios
Studien, ledd av Angeliqua P. Montoya och kollegor, undersökte den evolutionära genomiken av nyligen framväxande endosymbiotiska relationer i vild rhizobia. Genom att spåra hur kväve-fixerande gener rör sig mellan bakteriepopulationer kunde forskarna identifiera genetiska vägar som gör det möjligt för bakterier att etablera framgångsrika partnerskap med växter.
Kvävefixering i baljväxter beror på specialiserade rotknölar, där rhizobia får kolhydrater från värdväxten i utbyte mot biologiskt fixerat kväve. Även om detta förhållande har utvecklats naturligt under miljontals år, har forskare länge sökt sätt att replikera liknande system i icke-baljväxter.
Forskningen ger nya bevis för att de genetiska egenskaper som krävs för symbios kan spridas över bakteriehärkomster, vilket tyder på att utvecklingen av kvävefixerande partnerskap kan vara mer flexibel än vad man tidigare förstått. Sådana fynd skulle kunna hjälpa forskare att identifiera de genetiska förutsättningar som behövs för att etablera liknande släktskap i bakterier associerade med spannmålsgrödor.
Varför genombrottet är viktigt för gödselmarknaderna
Betydelsen av biologisk kvävefixering sträcker sig långt bortom växtbiologi. De flesta av världens stora basgrödor-inklusive vete, majs och ris-kan inte fixera atmosfäriskt kväve och är därför starkt beroende av kvävegödselmedel som produceras genom Haber-Bosch-processen.
Tillverkningen av ammoniak, grunden för kvävegödselmedel, är en av de mest energiintensiva-industriprocesserna globalt och är fortfarande mycket exponerad för naturgaskostnader, geopolitiska störningar och handelsrestriktioner. Den senaste tidens volatilitet på gödselmarknaderna, inklusive försörjningsproblem kopplade till sjöfartsrutter i Mellanöstern och exportkontroller från stora producerande länder, har förnyat intresset för teknologier som kan minska beroendet av syntetiskt kväve.
Om spannmålsgrödor kunde få en meningsfull andel av sitt kvävebehov genom biologisk fixering, kan de långsiktiga konsekvenserna för efterfrågan på gödselmedel bli betydande. Även om en sådan övergång är avlägsen, har den lockat till sig betydande investeringar från bioteknikföretag inom jordbruket, utvecklare av biologiska insatser och stora leverantörer av-näringsämnen som söker mer hållbara lösningar för-näringshantering.
Bygger på tidigare framsteg
Den nya studien kompletterar en växande mängd forskning som syftar till att förstå de molekylära mekanismerna som styr växt-mikrobsymbios. Tidigare undersökningar har identifierat specifika växtproteiner, signalvägar och kalcium-förmedlade svar som avgör om växter accepterar eller avvisar kväve-fixerande bakterier.
Forskare har redan visat bevis-på-konceptmodifieringar i modellväxter och vissa spannmålsarter, inklusive korn, vilket visar att komponenter i det symbiotiska signalnätverket kan manipuleras. Att uppnå tillförlitlig och ekonomiskt meningsfull kvävefixering i stora spannmålsgrödor är dock fortfarande ett av de mest ambitiösa målen inom jordbruksvetenskapen.
De aktuella biologifynden ger ett kompletterande perspektiv genom att fokusera på den mikrobiella sidan av förhållandet, och avslöjar hur kvävefixerande-förmågor uppstår och sprids bland bakteriepopulationer i naturliga miljöer.
Kommersiell utbyggnad är fortfarande år borta
Trots de vetenskapliga framstegen varnar forskarna för att praktiska jordbrukstillämpningar förblir ett långsiktigt-mål. Att demonstrera genöverföring och symbiotisk förmåga i vilda bakteriesystem är en viktig vetenskaplig milstolpe, men betydande utmaningar kvarstår innan sådana upptäckter kan översättas till kommersiella produkter.
Sektorn för biologiska gödselmedel har attraherat betydande riskkapital och företagsinvesteringar under det senaste decenniet, men industrin har också upplevt bakslag när företag kämpar för att konsekvent reproducera laboratorieresultat under fältförhållanden. Att uppnå stabil kolonisering, tillräckliga kvävebindningsgrader och ekonomisk avkastning för odlare är fortfarande en komplex utmaning.
Som ett resultat är det osannolikt att de senaste fynden har någon omedelbar inverkan på efterfrågan på gödselmedel. Istället bidrar de till en växande vetenskaplig grund som så småningom kan stödja utvecklingen av nästa-generations mikrobiella teknologier utformade för att komplettera eller delvis ersätta syntetiska kvävetillämpningar.
Nästa steg för forskare
Nästa forskningsfas kommer att fokusera på huruvida de genetiska mekanismer som identifierats i vild rhizobia kan introduceras i bakteriearter som naturligt associerar med rötter från spannmålsgrödor. Forskare måste sedan avgöra om dessa konstruerade mikrobiella samhällen kan tillhandahålla tillräckligt med biologiskt fixerat kväve för att leverera mätbara agronomiska fördelar under kommersiella jordbruksförhållanden.
Framgång skulle innebära en stor förändring av växtnäringen, vilket potentiellt skulle göra det möjligt för jordbrukare att minska användningen av gödselmedel samtidigt som skörden bibehålls. Men för närvarande är arbetet fortfarande ett tidigt men anmärkningsvärt steg mot ett av jordbrukets mest eftertraktade-mål: att göra det möjligt för stora spannmålsgrödor att få tillgång till kväve genom biologiska partnerskap snarare än att helt förlita sig på tillverkade gödselmedel.
