Në dekadat e ardhshme, njerëzimi do të duhet të ushqejë miliarda njerëz të tjerë në një planet nën presion. valë ekstreme të nxehtësisë, thatësira të forta dhe toka të degraduaraDuke pasur parasysh këtë skenar, mënyra se si i kultivojmë dhe i kuptojmë bimët po ndryshon me shpejtësi, dhe një nga linjat më interesante të kërkimit është ajo e atyre që në gjuhën e folur quhen "bimë që thithin azot".
Pas kësaj ideje mbresëlënëse qëndron një sfidë gjigante: të bësh që të korrat të jenë në gjendje... shfrytëzoni azotin nga ajri dhe zvogëloni varësinë nga plehrat kimikeNdërkohë që po përshtaten me një klimë më të ngrohtë, më të thatë dhe më të ndryshueshme, qendrat kryesore si Qendra për Bioteknologjinë e Bimëve dhe Gjenomikën (CBGP) janë tashmë plotësisht të angazhuara në këtë sfidë, duke kombinuar bioteknologjinë, ekologjinë dhe bujqësinë e qëndrueshme për të mbështetur prodhimin e ushqimit në një botë që ndryshon vazhdimisht.
Pse është kaq i rëndësishëm azoti për bimët?
Mund të tingëllojë e ekzagjeruar, por pa azot nuk do të kishte jetë siç e njohim ne, sepse ky element është çelësi për formimin e bimëve. proteinat, enzimat dhe pigmentet e nevojshme për fotosintezënPa një burim të mjaftueshëm azoti, një kulturë nuk mund të rritet mirë, të prodhojë biomasë ose të ofrojë rendimente të pranueshme.
Edhe pse ajri që thithim përbëhet nga rreth një. 78% gaz azoti (N₂)Bimët nuk mund ta përdorin atë drejtpërdrejt. Azoti atmosferik është shumë i qëndrueshëm dhe shumicës së gjallesave u mungojnë mjetet biokimike për ta zbërthyer këtë molekulë dhe për ta transformuar atë në komponime të përdorshme si amoniumi ose nitrati.
Në kushte natyrore, bimët e marrin azotin kryesisht nga toka, në formën e jonet e nitratit (NO₃⁻) dhe amonit (NH₄⁺)Këto lëndë ushqyese vijnë nga dekompozimi i lëndës organike ose nga proceset e fiksimit biologjik të kryera nga mikroorganizmat. Kur toka është e varfër me azot, bimët vuajnë nga kloroza, rriten dobët dhe produktiviteti i tyre bie ndjeshëm.
Për të kompensuar këtë kufizim, bujqësia moderne është mbështetur në plehra sintetike që furnizojnë sasi të mëdha azoti. Problemi është se modeli është bërë i paqëndrueshëm për shkak të konsumit të lartë të energjisë, gjurmës së karbonit dhe ndotjes të tokës, ujit dhe atmosferës të lidhura me përdorimin e tepërt të plehrave kimike.
Pjesa më e madhe e hulumtimeve aktuale përqendrohet në kuptimin dhe shfrytëzimin më të mirë të strategjive natyrore me anë të të cilave disa organizma dhe disa shoqata bimë-mikrob janë në gjendje të... për të fiksuar azotin atmosferik dhe për ta bërë atë të disponueshëm për ekosistemet.
Fiksimi biologjik i azotit: truku i baktereve
Ndërsa bimët nuk mund ta përdorin drejtpërdrejt gazin e azotit, disa baktere mund ta bëjnë këtë, falë një... një enzimë shumë e specializuar e quajtur nitrogjenazëKjo proteinë është në gjendje të zbërthejë N₂ atmosferik dhe ta transformojë atë në komponime azotike që, me kalimin e kohës, bëhen pjesë e zinxhirit ushqimor.
Këto baktere që fiksojnë azotin gjenden lirisht në tokë dhe në lidhje të ngushtë me rrënjët e llojeve të caktuara të bimëve. Disa prej tyre krijojnë marrëdhënie shumë të ngushta simbiotike me bimët, duke jetuar brenda strukturave të veçanta që formohen në rrënjë dhe lejojnë një shkëmbim shumë të imët të burimeve.
Në të ashtuquajturat bimë simbiotike që fiksojnë azotin, bima strehon bakteret dhe i furnizon ato me sheqerna të marra nëpërmjet fotosintezës, ndërsa mikroorganizmi ua kthen të njëjtën gjë. duke siguruar azot "të ri" nga atmosferaKy shkëmbim është aq efikas sa mund të mbulojë një pjesë të madhe të nevojave të të korrave dhe të pasurojë tokën për bimët e ardhshme.
Kur këto bimë të shoqëruara me baktere përfundojnë ciklin e tyre jetësor dhe mbetjet e tyre përfshihen në tokë, azoti që ato kishin akumuluar në indet e tyre lirohet përmes një procesi të njohur si mineralizimi i azotitLënda organike zbërthehet dhe azoti organik transformohet në amonium dhe nitrat, forma që bimët e tjera mund t’i thithin lehtësisht.
Kështu, komunitetet bimore që përfshijnë fiksues të azotit luajnë një rol vendimtar në pjelloria natyrore e shumë ekosistemeve dhe sistemeve bujqësoreduke zvogëluar nevojën për të furnizuar kaq shumë pleh të jashtëm.
Bimë që “marrin frymë” azot: bishtajore, nyje dhe simbiozë
Grupi më i njohur i bimëve që lidhen me bakteret që fiksojnë azotin janë bishtajoret, një familje e madhe që përfshin kulturat e përditshme si p.sh. bizele, fasule, thjerrëza, qiqra, bathë të gjera ose tërfiliKëto specie kanë zhvilluar, gjatë gjithë evolucionit, aftësinë për të formuar nyje në rrënjët e tyre për të siguruar strehim për baktere specifike.
Në këtë marrëdhënie, bima lëshon sinjale kimike në zonën rrënjore që tërheqin baktere të caktuara të tokës të afta për të fiksuar azotin. Pasi të vendoset kontakti, rrënja fillon të formohet. struktura të specializuara të quajtura nyjetë cilat veprojnë si "reaktorë biologjikë" të vegjël e të mbrojtur, ku bakteret jetojnë dhe punojnë në kushte të përshtatshme.
Brenda këtyre nyjeve, bakteret fiksojnë azotin atmosferik dhe e transformojnë atë në komponime azotike që rrjedhin në bimë, ndërsa bima u dërgon sheqerna dhe komponime të tjera baktereve për t'i mbajtur ato aktive. Edhe pse këta mikroorganizma nuk kryejnë fotosintezë, ato varen nga energjia kimike e gjeneruar nga bima falë dritës së diellit.
Rezultati praktik është se kultura merr një burim të vazhdueshëm azoti pa pasur nevojë për kaq shumë plehra të jashtëm, dhe një pjesë e atij azoti do të mbetet në tokë kur bima të vdesë ose kur mbetjet e bimëve përfshihen përmes praktikave bujqësore. Në fakt, Zbërthimi i mbetjeve të bishtajoreve pasuron ndjeshëm përmbajtjen e azotit në tokë..
Ky mekanizëm shpjegon pse bishtajoret përdoren shpesh në rotacionet e të korrave ose si plehra të gjelbra: ato jo vetëm që prodhojnë ushqim, por ndihmojnë edhe në. për të përmirësuar pjellorinë e parcelës dhe për të mbështetur sisteme më të qëndrueshme bujqësore në afat të mesëm dhe afatgjatë.
Shpërndarja dhe diversiteti i bimëve që fiksojnë azotin
Roli ekologjik i bimëve të shoqëruara me bakteret që fiksojnë azotin është aq i rëndësishëm sa disa ekipe shkencore kanë studiuar në detaje shpërndarjen e tyre në shkallë të gjerë. Në Shtetet e Bashkuara, studiues nga qendra të ndryshme, si p.sh. Muzeu i Historisë Natyrore i Floridës dhe universitetet e Luizianës dhe MisisipitAta kanë analizuar të dhënat e specieve vendase dhe pushtuese në dhjetëra vende për ta kuptuar më mirë këtë model.
Në shikim të parë, dikush mund të mendojë se në tokat e varfra me azot duhet të ketë bollëk dhe diversitet më i madh i bimëve që fiksojnë tokënmeqenëse avantazhi i tij konkurrues do të ishte më i madh në mjedise të kufizuara nga ky lëndë ushqyese. Megjithatë, analiza e detajuar e kualifikon ndjeshëm këtë ide në dukje logjike.
Kur krahasuan rajone të ndryshme, studiuesit vunë re se numri i bimëve që fiksojnë azotin kishte tendencë të rritje e zonave me më pak azot të disponueshëm në tokëKjo përputhet me hipotezën klasike. Por ata gjithashtu vunë re se, ndërsa mjediset bëheshin më të thata, prania e përgjithshme e këtyre bimëve u zvogëlua.
Zbulimi më i habitshëm ishte se, kur ata shikuan diversitetin e fiksuesve vendas të azotit, ata zbuluan një model të ndryshëm: Diversiteti i specieve vendase që fiksojnë tokën u rrit ndjeshëm në rajone të thatapavarësisht sasisë së azotit të pranishëm në tokë. Domethënë, aty ku kushtet e ujit janë më të ashpra, diapazoni i bimëve vendase që fiksojnë azotin mund të jetë shumë i lartë.
Këto rezultate tregojnë se, në një shkallë të gjerë, shpërndarja e bimëve që strehojnë baktere që fiksojnë azotin varet jo vetëm nga azoti i tokës, por edhe nga një kombinim kompleks faktorësh të tillë si Disponueshmëria e ujit, historia evolucionare dhe dinamika e komuniteteve bimoreTë kuptuarit e këtyre modeleve është çelësi për hartimin e sistemeve bujqësore që i përshtaten më mirë secilit rajon.
Roli i CBGP-së: bioteknologjia e bimëve përballë ndryshimeve klimatike
Ndërsa po bëhen përparime në kuptimin ekologjik të bimëve që fiksojnë rrënjët, qendrat kërkimore si Qendra për Bioteknologjinë dhe Gjenomikën e Bimëve (CBGP), të lidhura me Universitetin Politeknik të Madridit, po përqendrohen në një front tjetër: përshtatjen e të korrave me klimën ekstreme që po përjetojmë tashmë dhe e cila do të intensifikohet në dekadat e ardhshme.
Parashikimet tregojnë se deri në mesin e shekullit, afërsisht 9.700 milion njerëz në një planet që është më i nxehtë, më i thatë dhe i nënshtruar ndaj ngjarjeve ekstreme të motit shumë më të shpeshta. Viti 2024 ishte tashmë një nga më të nxehtit e regjistruar ndonjëherë, dhe në Evropë dhjetëra mijëra vdekje u lidhën me valët e të nxehtit, me Spanjën që ishte një nga vendet më të prekura.
Duke pasur parasysh këtë skenar, në CBGP ata studiojnë në një mënyrë gjithëpërfshirëse. si rriten bimët, si bashkëveprojnë ato me mikroorganizmat në mjedisin e tyre dhe si reagojnë ato ndaj ndryshimeve mjedisore, siç janë rritja e temperaturës, thatësira e zgjatur ose kripëzimi i tokave bujqësore.
Një nga objektivat kryesore të qendrës është të zhvillojë varietete të reja të kulturave, ose të zgjedhë nga ato ekzistuese ato që janë të afta të të mbajë rendimente të pranueshme nën stresin mjedisorKjo nënkupton jo vetëm tolerimin e kushteve të pafavorshme, por edhe bërjen e kësaj pa u varur shumë nga faktorët e jashtëm, siç janë plehrat dhe uji.
Për ta arritur këtë, studiuesit analizojnë mekanizmat molekularë që u lejojnë bimëve të caktuara t'i rezistojnë më mirë streseve mjedisore. Ata identifikojnë proteinat mbrojtëse, rrugët e sinjalizimit dhe gjenet kryesore që aktivizohen në kushte ekstreme dhe e përdorin atë informacion për të gjeneruar atë që ata e quajnë "prova të konceptit".
Në këto teste, ata krijojnë bimë transgjenike që grumbullojnë proteina të caktuara ose aktivizojnë mekanizma specifikë tolerance, me qëllim që të verifikojnë nëse ato përmirësojnë realisht performancën e tyre përballë thatësirës, nxehtësisë ose kripësisë. Në këtë mënyrë, Ata vërtetojnë eksperimentalisht se cilat strategji janë më efektive. përpara se të merret në konsideratë një aplikim në shkallë të gjerë.
Kulturat më rezistente: domatet, brassicas dhe siguria ushqimore
Një nga rezultatet e shquara të kësaj qasjeje ka qenë zhvillimi i bimë domatesh me tolerancë të lartë ndaj kripësKy është një problem gjithnjë e më i zakonshëm në zonat bujqësore ku ujitja dhe avullimi intensiv përqendrojnë kripërat në tokë. Ekipi i CBGP ka zhvilluar varietete transgjenike që janë më rezistente ndaj këtyre niveleve të kripës.
Këto domate të forta tashmë kanë dhënë një Aplikimi për patentë evropianeIdeja është që teknologjia të zgjerohet edhe në kultura të tjera që janë veçanërisht të ndjeshme ndaj kripësisë, siç janë bizelet, fasulet, misri ose luleshtrydhet. Nëse do të ketë sukses, kjo do të përfaqësonte një avantazh të madh në zonat ku uji i ujitjes është me cilësi të kufizuar ose tokat janë degraduar.
Në të njëjtën kohë, grupi po punon për transferimin e këtyre përparimeve tek të ashtuquajturat brassicas, një familje bimësh që përfshin lakër, brokoli dhe perime të tjera thelbësore në dietë. Rritja e qëndrueshmërisë së këtyre perimeve bazë do të thoshte ruajtja e një pjese shumë të rëndësishme të sigurisë ushqimore në një mjedis klimatik të pasigurt.
Megjithatë, nuk është aq e thjeshtë sa thjesht futja e proteinave mbrojtëse dhe kaq. Shumë nga këto proteina i përkasin familjet që përmbajnë edhe alergjenë ushqimorëDhe kjo e bën të domosdoshme marrjen e masave paraprake shtesë. Jo të gjitha proteinat imune janë alergjike, por disa mund të shkaktojnë reaksione tek individët e ndjeshëm.
Për këtë arsye, CBGP ka një ekip të specializuar për alergjenët që vlerëson plotësisht këto proteina. Puna e tyre përqendrohet në identifikimin e Cilat karakteristika strukturore e bëjnë një proteinë një alergjen të mundshëm? dhe cilat nuk janë, në mënyrë që të mund të projektohen zgjidhje të sigurta bioteknologjike për konsum njerëzor.
Kjo qasje rigoroze është thelbësore që inovacioni në kulturat e modifikuara gjenetikisht ose të përmirësuara të ketë një vend të vërtetë në treg, duke garantuar siguria ushqimore dhe zhvillimi i përgjegjshëm i varieteteve të reja që ndihmojnë në adresimin e ndryshimeve klimatike pa krijuar probleme shtesë.
Drejt drithërave që “marrin frymë” azot nga ajri
Ndër projektet më ambicioze që po kryhen në CBGP, spikat ai i udhëhequr nga studiuesi. Luis Rubiofinancuar nga Fondacioni Gates. Qëllimi i tij është aq i thjeshtë për t'u shpjeguar sa është edhe i vështirë për t'u arritur: të bëjë drithërat të afta për për të kapur dhe metabolizuar azotin nga ajriduke ulur ndjeshëm varësinë nga plehrat kimike.
Ndryshe nga bishtajoret, kulturat bazë si orizi, gruri ose misri nuk formojnë natyrshëm shoqërime kaq të fuqishme simbiotike me bakteret që fiksojnë azotin. As nuk posedojnë mekanizmat e brendshëm për të fiksuar N₂ vetë, meqenëse Atyre u mungon enzima e nitrogjenazës që i posedojnë baktere të caktuara.
Ekipi i Rubios përdor si model një bakter që fikson azotin, i lidhur me majanë e bukëpjekësit, i njohur si Azotobacter vinelandii (shpesh të keqinterpretuara në disa media), të afta për të fiksuar azotin në mënyrë efikase. Ideja është që të transferohen gjenet e përfshira në fiksimin e azotit nga këto baktere te bimët.
Në laborator, studiuesit po punojnë për futjen dhe shprehjen e koordinuar të këtyre gjeneve bakteriale në qelizat bimore, me qëllim që t'u mundësojnë drithërave të... aktivizoni nga brenda një sistem funksional të fiksimit të azotitËshtë një sfidë e madhe, sepse nitrogjenaza është shumë komplekse dhe jashtëzakonisht e ndjeshme ndaj oksigjenit, kështu që kërkon kushte shumë specifike për të funksionuar.
Nëse ky qëllim arrihet, qoftë edhe pjesërisht, kjo mund të përfaqësojë një revolucion për bujqësinë botërore: drithërat mund të mbulojnë një pjesë të madhe të nevojave të tyre për azot vetë, duke zvogëluar përdorimin e plehrave sintetike dhe, si pasojë, ndotja e tokës, ujit dhe ajrit që lidhet me prodhimin dhe aplikimin e tij.
Plehrat kimike dhe qëndrueshmëria bujqësore
Aktualisht, plehrat e azotit janë thelbësore për të ruajtur rendimente të larta të prodhimi global i drithëraveFalë tyre, ka qenë e mundur të ushqehet një popullsi në rritje të vazhdueshme, por kjo varësi ka një kosto mjedisore që është gjithnjë e më e vështirë për t’u përballuar.
Sinteza industriale e plehrave konsumon sasi të mëdha energjie dhe lëshon gazra serrë; përdorimi i tyre intensiv në terren shkakton ndotja e ajrit nga emetimet e oksideve të azotit dhe amoniakutdhe rrjedhjet e ujërave të ndotura i çojnë nitratet në lumenj, akuiferë dhe dete, duke favorizuar procese të tilla si eutrofikimi.
Përveç kësaj, përdorimi i tepërt i plehrave dhe praktika të caktuara menaxhimi mund ta përshpejtojnë degradimi i tokave bujqësoreduke zvogëluar aftësinë e tyre për të mbajtur ujin dhe lëndët ushqyese dhe duke i zënë fermerët në një rreth vicioz varësie nga inputet e jashtme.
Sipas studiuesve nga projekti i drithërave vetë-fekonduese, një rënie e ndjeshme në përdorimin e këtyre plehrave mund të hapë derën për një bujqësi shumë më e qëndrueshmeMë pak pleh do të thotë më pak emetime të lidhura me prodhimin e tij, më pak ndotje të ujit dhe një shans më të madh për rikuperimin e tokave të degraduara.
Qëllimi përfundimtar është të zhvillohen varietete të orizit, grurit dhe misrit të afta për kryesisht vetë-fekondohetduke përdorur azotin nga ajri si burim kryesor. Megjithatë, vetë ekipi pranon se ky është një qëllim me kompleksitet të madh teknologjik, i cili ka të ngjarë të kërkojë dekada kërkimesh përpara se të zbatohet në një shkallë të gjerë në këtë fushë.
Infrastrukturë e teknologjisë së fundit: serra dhe rizotonë
Për të realizuar këto projekte, CBGP-ja ka objekte prej rreth 1.900 m² të dedikuara për kultivimin e bimëve në kushte të kontrolluaraNjë pjesë qendrore e kësaj infrastrukture është një serë prej rreth 1.200 m² e pajisur me sisteme të përparuara të kontrollit të klimës dhe ndriçimit.
Këto serra lejojnë kultivimin e specieve të ndryshme me interes bujqësor ose modeleve eksperimentale në kushte të rregulluara në mënyrë të përkryer. temperatura, drita, lagështia dhe përbërja e substratitKjo lejon riprodhimin e skenarëve të stresit të shkaktuar nga nxehtësia, thatësira ose kripësia për të vlerësuar sjelljen e bimëve të modifikuara ose të përzgjedhura.
Objekti përmban module të përmbajtjes së tipit P2 të projektuara posaçërisht për të punuar me bimë transgjenike. Brenda këtyre hapësirave, temperatura mund të kontrollohet në një gamë të gjerë, afërsisht midis 10 dhe 45 ºC, diçka kyçe për simulimin e valëve të nxehtësisë ose kushteve mesatarisht të ftohta.
Përveç kësaj, serra përfshin një sistem të fenotipizimi dixhital i automatizuar me robotë që lëvizin nëpër korridore për të kapur imazhe dhe të dhëna nga bimët. Ky sistem lejon monitorimin e saktë dhe në shkallë të gjerë të aspekteve të tilla si rritja, gjendja e ujit dhe ashpërsia e simptomave të stresit.
Një element tjetër shumë interesant i infrastrukturës janë të ashtuquajturit rizotrone, struktura të përbëra nga pllaka transparente që ekspozojnë sistemin rrënjorFalë tyre, mund të merren imazhe të detajuara të rrënjëve, mund të matet rritja dhe trashësia e tyre, dhe mund të analizohet se si ato reagojnë ndaj produkteve ose kushteve të ndryshme mjedisore.
Kombinimi i këtyre serrave të kontrolluara, sistemeve robotike të analizës dhe rizotroneve e bën qendrën një mjedis ideal për Testoni varietete dhe teknologji të reja përpara se të shkallëzoni përdorimin e tyrePër më tepër, këto ambiente nuk janë të rezervuara vetëm për ekipet e brendshme: ato janë të hapura edhe për projekte nga organizata të tjera publike dhe private të interesuara në përgjigjen ndaj sfidave bujqësore të së ardhmes.
I gjithë ky hulumtim mbi proteinat e rezistencës, simbiozat që fiksojnë azotin dhe drithërat e afta të përdorin pikat e azotit atmosferik drejt një modeli bujqësor ku bimët Ata punojnë më ngushtë me mikroorganizmat dhe me biologjinë e tyre. të prodhojmë më shumë me më pak inpute të jashtme. Edhe pse shumë prej këtyre qëllimeve do të duhen vite ose dekada për t'u bërë realitet në një shkallë të gjerë, çdo përparim na sjell pak më afër mundësisë së të korrave që, në mënyrë figurative, "marrin frymë" azot nga ajri dhe mbështesin furnizimet globale me ushqim në një planet nën presionin e klimës.
