Πιο φιλικό στο περιβάλλον και μικρότερο κόστος παραγωγής.
Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια Ντέιβις δημιούργησαν ένα είδος σιταριού που μπορεί να αυτογονιμοποείται εν μέρει απελευθερώνοντας μια χημική ουσία που ενεργοποιεί βακτήρια στο έδαφος τα οποία δεσμεύουν άζωτο. Τα τροποποιημένα φυτά χρησιμοποιούν αυτή τη μικροβιακή βοήθεια για να αξιοποιήσουν το ατμοσφαιρικό άζωτο μειώνοντας την ανάγκη για συνθετικά λιπάσματα.
Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να μειώσει τη ρύπανση να περιορίσει τα έξοδα των αγροτών και να βελτιώσει την ανάπτυξη καλλιεργειών σε περιοχές με φτωχά θρεπτικά στοιχεία. Μπορεί επίσης να ανοίξει το δρόμο για παρόμοιες εξελίξεις και σε άλλα είδη δημητριακών που αποτελούν βασικά διατροφικά προϊόντα.
Οι ερευνητές δημιούργησαν φυτά σιταριού που μπορούν να ενισχύουν τον σχηματισμό του δικού τους φυσικού λιπάσματος. Αυτή η πρόοδος θα μπορούσε να μειώσει τη ρύπανση αέρα και νερού παγκοσμίως ενώ παράλληλα θα μειώσει το ποσό που χρειάζεται να ξοδεύουν οι αγρότες για συμβατικά λιπάσματα.
Επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας ήταν ο Εντουάρντο Μπλούμγουαλντ διακεκριμένος καθηγητής στο Τμήμα Φυτικών Επιστημών του UC Davis. Η ομάδα του χρησιμοποίησε το εργαλείο γονιδιακής επεξεργασίας CRISPR για να αυξήσει την παραγωγή από το φυτό ενός από τα φυσικά του χημικά. Όταν το φυτό απελευθερώνει την επιπλέον ποσότητα αυτής της ένωσης στο έδαφος υποστηρίζει βακτήρια που μετατρέπουν το άζωτο της ατμόσφαιρας σε μορφή που τα φυτά μπορούν εύκολα να απορροφήσουν. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως δέσμευση αζώτου.
Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στην επιθεώρηση «Plant Biotechnology Journal».
Πιθανός αντίκτυπος στην παγκόσμια επισιτιστική ασφάλεια
Σε πολλές αναπτυσσόμενες περιοχές η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να δώσει σημαντική ώθηση στην αξιοπιστία των καλλιεργειών και στον εφοδιασμό τροφίμων. «Στην Αφρική οι άνθρωποι δεν χρησιμοποιούν λιπάσματα επειδή δεν έχουν χρήματα και οι φάρμες είναι μικρές όχι μεγαλύτερες από έξι έως οκτώ στρέμματα. Φανταστείτε να φυτεύετε καλλιέργειες που διεγείρουν τα βακτήρια του εδάφους να δημιουργήσουν φυσικά το λίπασμα που χρειάζονται τα φυτά. Ουάου. Αυτή είναι μεγάλη διαφορά» λέει ο Μπλουμγουάλντ.
Η νέα αυτή ποικιλία σιταριού βασίζεται σε προηγούμενη πρόοδο που η ομάδα πέτυχε στο ρύζι και επιπλέον μελέτες εξετάζουν πώς αυτή η προσέγγιση μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλα δημητριακά.
Η πρόκληση του λιπάσματος
Το σιτάρι είναι η δεύτερη μεγαλύτερη καλλιέργεια δημητριακών στον κόσμο βάσει παραγωγής και αντιπροσωπεύει περίπου το 18% της παγκόσμιας χρήσης αζωτούχων λιπασμάτων. Περισσότερο από 800 εκατομμύρια τόνους λιπάσματος παρήχθησαν παγκοσμίως το 2020, σύμφωνα με τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας των Ηνωμένων Εθνών.
Ωστόσο, τα φυτά απορροφούν συνήθως μόνο το 30 έως 50% του αζώτου που υπάρχει στο λίπασμα. Το υπόλοιπο συχνά καταλήγει σε υδάτινα οικοσυστήματα, συμβάλλοντας στη δημιουργία «νεκρών ζωνών» όπου η στάθμη του οξυγόνου είναι πολύ χαμηλή για να υποστηρίξει τη θαλάσσια ζωή. Το πλεονάζον άζωτο που μένει στο έδαφος μπορεί επίσης να δημιουργήσει υποξείδιο του αζώτου, ένα ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου.
Κατανόηση του βιολογικού φραγμού
Τα βακτήρια που δεσμεύουν άζωτο στηρίζονται σε ένα ένζυμο που ονομάζεται νιτρογενάση, το κεντρικό «εργαλείο» της δέσμευσης αζώτου. Αυτό το ένζυμο υπάρχει μόνο σε αυτά τα βακτήρια και λειτουργεί μόνο σε πολύ χαμηλό επίπεδο οξυγόνου.
Τα ψυχανθή όπως τα μπιζέλια και τα φασόλια λύνουν φυσικά αυτό το πρόβλημα δημιουργώντας φυμάτια στις ρίζες τους τα οποία προσφέρουν ένα περιβάλλον χαμηλού οξυγόνου που προστατεύει τα βακτήρια δέσμευσης αζώτου. Το σιτάρι και οι περισσότερες άλλες καλλιέργειες δεν δημιουργούν τέτοια φυμάτια για αυτό οι αγρότες βασίζονται σε αζωτούχα λιπάσματα.
«Επί δεκαετίες οι επιστήμονες προσπαθούν να αναπτύξουν σιτηρά που να παράγουν ενεργά φυμάτια ρίζας ή να αποικίζουν τα σιτηρά με βακτήρια δέσμευσης αζώτου χωρίς μεγάλη επιτυχία. Χρησιμοποιήσαμε διαφορετική προσέγγιση. Είπαμε ότι η θέση των βακτηρίων που δεσμεύουν το άζωτο δεν είναι σημαντική αρκεί το δεσμευμένο άζωτο να φτάνει στο φυτό και το φυτό να μπορεί να το χρησιμοποιήσει» λένε οι ερευνητές.
Οι ουσίες
Για να βρουν μια πιθανή λύση η ερευνητική ομάδα αξιολόγησε 2,800 χημικές ουσίες που παράγονται φυσικά από φυτά. Εντόπισαν 20 οι οποίες όχι μόνο ωφελούν το φυτό αλλά βοηθούν επίσης τα βακτήρια να σχηματίζουν βιοϋμένια. Αυτά τα κολλώδη προστατευτικά στρώματα δημιουργούν ένα περιβάλλον χαμηλού οξυγόνου που επιτρέπει στη νιτρογενάση να λειτουργεί. Οι ερευνητές στη συνέχεια ανακάλυψαν πώς τα φυτά παράγουν αυτές τις ενώσεις και ποια γονίδια ρυθμίζουν την παραγωγή τους.
Χρησιμοποιώντας το CRISPR η ομάδα τροποποίησε το σιτάρι ώστε να παράγει υψηλότερα επίπεδα ενός φλαβονοειδές που ονομάζεται απιγενίνη. Επειδή τα τροποποιημένα φυτά παράγουν περισσότερη απιγενίνη από όση χρειάζονται η περίσσεια απελευθερώνεται από τις ρίζες στο έδαφος.
Σε πειράματα η επιπλέον απιγενίνη ενθάρρυνε τα βακτήρια του εδάφους να δημιουργήσουν βιοϋμένια που προστατεύουν τη νιτρογενάση επιτρέποντας στα βακτήρια να δεσμεύουν άζωτο σε μορφή που το σιτάρι μπορεί να χρησιμοποιήσει. Όταν καλλιεργήθηκε υπό συνθήκες πολύ χαμηλής λίπανσης αζώτου το τροποποιημένο σιτάρι παρήγαγε υψηλότερες αποδόσεις από τα φυτά ελέγχου.
Οι αγρότες στις Ηνωμένες Πολιτείες ξόδεψαν σχεδόν 36 δισεκατομμύρια δολάρια σε λιπάσματα το 2023, σύμφωνα με εκτιμήσεις του Υπουργείου Γεωργίας των ΗΠΑ. Ο Μπλουμγουάλντ σημειώνει ότι σχεδόν 500 εκατομμύρια στρέμματα στη χώρα καλλιεργούνται με σιτηρά. «Φανταστείτε να μπορείτε να εξοικονομήσετε το 10% της ποσότητας λιπάσματος που χρησιμοποιείται σε αυτή τη γη. Υπολογίζω συντηρητικά ότι αυτό θα πρέπει να σημαίνει εξοικονόμηση άνω του ενός δισεκατομμυρίου δολαρίων κάθε χρόνο».
