7 Minutės
Aarhus universiteto tyrėjai praneša apie netikėtą molekulinį trumpąjį kelią, galintį padėti svarbiems maistiniams augalams patiems generuoti trąšas. Pakeitus tik dvi aminorūgštis šaknies receptoriuje, mokslininkai gali pakeisti augalo reakciją nuo gynybos į bendradarbiavimą — poslinkį, kuris galėtų sumažinti priklausomybę nuo sintetinių azoto trąšų ir sumažinti žemės ūkio anglies dioksido pėdsaką.
Nuo trąšų priklausomybės prie natūralių azotą fiksuojančių partnerių
Azotas yra esminė augalų mitybos dalis: jis būtinas aminorūgščių, baltymų ir kitų ląstelių komponentų sintezei, todėl lemia augimo ir derlingumo galimybes. Tačiau dauguma pagrindinių javų — kviečiai, kukurūzai, miežiai, ryžiai — šiuo metu stipriai remiasi pramoninėmis azoto trąšomis. Sintetinių trąšų gamyba per Haberio–Boso procesą suvartoja didelę pasaulio energijos dalį (apytiksliai 1–3 % priklausomai nuo skaičiavimo metodikos) ir yra susijusi su reikšmingomis CO2 emisijomis bei išmetamaisiais teršalais. Be to, tręšimas didelėmis azoto dozėmis sukelia dirvožemio ir vandens eutrofikaciją, sumažina biologinę įvairovę ir ilgainiui mažina dirvos derlingumą.
Priešingai tam, ankštiniai augalai — žirniai, dobilai, pupos ir kt. — gauna didelę dalį reikalingo azoto per biologinę simbiozę: jiems šaknų mazguose gyvenančios bakterijos (dažniausiai iš Rhizobium ir panašių rūšių) konvertuoja atmosferinį azotą (N2) į amoniaką ir kitus augalams prieinamus junginius. Ši biologinė azoto fiksacija yra energetiškai efektyvi ekologiškai atsinaujinantis procesas, kurio panaudojimas plačiu mastu javams (cereals) galėtų reikšmingai transformuoti tvaraus žemės ūkio praktiką ir sumažinti poreikį sintetinėms trąšoms.
Molekulinis jungiklis, lemiantis draugo arba priešą
Kaip gi kai kurie augalai priima naudingas bakterijas, o kiti jas atstumia? Augalai „skaito" chemines dirvožemio žinutes per receptorių baltymus, esančius šaknų ląstelių paviršiuje. Šie receptoriai analizuoja mikrobinio pasaulio signalus — pavyzdžiui, peptidus, lipochitinooligosacharidus ar kitus mažus signalinius molekules — ir pagal tai arba aktyvuoja imuninės sistemos atsaką, arba paleidžia išskirtines genetines ir ląstelines programines sroves, kurios leidžia pradėti simbiotinių mazgų formavimąsi.
Aarhus komanda identifikavo menką, bet esminį regioną viename iš tokių receptorių, žymėtą kaip Symbiosis Determinant 1 (simbiotinio atsparumo determinantas). Šis regionas veikia panašiai kaip molekulinis jungiklis: jis interpretuoja mikrobinės kilmės signalus ir nulemia, ar ląstelė reaguos gynybiškai, ar leis bakterijoms pradėti simbiozę.
Du subtilūs molekuliniai pakitimai gali padėti paversti kasdienius javus savarankiškai tręšiančiais augalais.
Konkrečiai, du aminorūgščių pėdsakai šiame regione lemia, kokį signalą receptorius perduos į ląstelės vidų. Pakeitus šiuos du statybinius blokelius, receptorius, kuris paprastai sukelia pavojaus signalą, gali priešingai leisti azotą fiksuojančioms bakterijoms kolonizuoti šaknį. "Mes žingsniu arčiau žalesnės ir klimato atžvilgiu draugiškesnės maisto gamybos", rašo tyrėjai; pagrindiniai autoriai Kasper Røjkjær Andersen ir Simona Radutoiu šį radinį apibūdina kaip „stulbinantį ir svarbų.“
Laboratorinis patvirtinimas: lotusas ir miežiai reaguoja panašiai
Atlikdami kontroliuojamus eksperimentus, komanda pirmiausia modifikavo modelinį ankštinį augalą Lotus japonicus, parodydama, kad receptoriaus pakeitimas leido simbiozei su azotą fiksuojančiomis bakterijomis vykti efektyviau. Vėliau tą pačią labai precizišką modifikaciją jie išbandė miežiuose: modifikuoti miežių receptoriai leido bakterijų partnerystei įsitvirtinti, kur to neleistų natūralūs receptoriai. "Labai įdomu, kad dabar galime paimti receptorių iš miežių, padaryti jame nedidelius pakeitimus, ir azoto fiksacija vėl veikia", sako Kasper Røjkjær Andersen.
Kodėl dvi aminorūgštys yra tokios svarbios
- Aminorūgštys yra baltymų statybiniai blokai; net viena ar dvi pakitusios aminorūgštys gali pakeisti baltymo tridimensinę konfigūraciją arba jo sąveikas su kitomis molekulėmis.
- Šiuo atveju pakitusios aminorūgštys, panašu, keičia receptoriaus interpretaciją apie bakterinių signalų pobūdį — transformuodamos gynybinį atsaką į leidimą simbiozei prasidėti.
- Tai nėra universali „įjungti/išjungti" jungtis visiems augalams; tai svarbus užuomina, vienas iš kelių reikalingų pokyčių, kad būtų galima atkurti ankštinių augalų tipo azoto fiksaciją javų (cerealų) šeimoje.
Pasaulinės žemės ūkio ir klimato pasekmės
Jeigu sintetinės trąšos būtų iš dalies pakeistos biologine azoto fiksacija svarbiausiuose javuose, tai galėtų ženkliai sumažinti energijos poreikį trąšų gamybai ir sumažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimus žemės ūkyje. Mažesnis trąšų naudojimas taip pat sumažintų išteklių naudojimo kaštus ūkininkams, sumažintų trąšų nuotėkio ir upių eutrofikacijos riziką, bei palengvintų cheminių atliekų poveikį ekosistemoms. Be to, ilgalaikėje perspektyvoje, sustiprėjęs simbiotinių mikroorganizmų vaidmuo dirvožemio biologinėje dinamikai gali pagerinti dirvožemio struktūrą ir biologinę įvairovę.
Vis dėlto kelias nuo sėkmingų laboratorinių eksperimentų iki lauko sąlygomis pasiteisinančių veislių yra ilgas ir sudėtingas. Augalai lauke turi ištverti didelį dirvožemio, klimato ir mikrobiologinės bendruomenės kintamumą. Norint užtikrinti, kad modifikuoti augalai išlaikytų aukštą derlių, atsparumą ligoms ir sausrai bei nesukeltų nepageidaujamų ekologinių pasekmių, reikalingi daugiafaziai bandymai, ilgalaikės stebėsenos programos ir griežta rizikos bei saugumo vertinimo sistema.
"Šiandien labai nedaug kultūrų gali natūraliai užmegzti simbiozę. Jeigu pavyks tai išplėsti į plačiai naudojamas kultūras, tai gali dramatiškai pakeisti, kiek azoto reikia papildomai įvesti dirvai", sako Simona Radutoiu, pabrėždama, kad reikia dar atrasti papildomų genetinių raktų ir reguliavimo mechanizmų.
Kiti žingsniai: visos priemonių dėžės žemėlapis
Receptoriaus pakeitimas suteikia vertingą tikslą selekcininkams ir molekuliniams biologams, tačiau tai tik vienas komponentas iš numanomos kelių genų sprendimo mozaikos. Mokslininkams reikės identifikuoti papildomus genus, sinaptinius signalizavimo kelius ir reguliacines grandines, kurios leidžia formuotis šaknų mazgams, palaiko stabilias bakterines populiacijas ilgalaikėje perspektyvoje ir užtikrina produkcijos stabilumą bei atsparumą lauko sąlygomis.
Tarp reikiamų komponentų yra:
- Genai, susiję su mazgo diferenciacija ir šaknų audinių pertvarkymu.
- Signalizacijos komponentai, kurie koordinuoja augalo ir bakterijų biocheminį dialogą.
- Mechanizmai, kurie leidžia augalui kontroliuoti bakterijų metabolizmą ir energijos paskirstymą, kad simbiozė būtų naudingesnė nei žalinga.
- Ekologiniai ir agronominiai metodai, leidžiantys palaikyti palankias mikrobiomas dirvose be didelio cheminio įsikišimo.
Integruoti šią biologiją į pagrindinius javus taip pat reikš reglamentinių sprendimų priėmimą, visuomenės informavimą ir selekcijos strategijas, kurios galėtų apimti genų redagavimą (CRISPR/Cas ir kitas technologijas), tradicinį veisimą bei mikrobiomos inžineriją. Kiekvienas iš šių metodų turi savų privalumų, rizikų ir reguliavimo reikalavimų, priklausomai nuo teisinių sistemų ir visuomenės požiūrio į biotechnologijas skirtingose šalyse.
Ekspertų įžvalgos
„Šis atradimas yra kertinis akmuo sudėtingos mįslės sprendime,“ sako dr. Maya Thompson, augalų molekulinės biologijos mokslininkė Kembridžo universitete. „Dvi aminorūgštys gali skambėti kaip nereikšmingas pakeitimas, tačiau biologija dažnai priklauso nuo tokių mažų pokyčių. Tam, kad tai taptų praktika, kurią ūkininkai galėtų taikyti plačiu mastu, reikės sisteminio požiūrio — genetikos, mikrobiomos inžinerijos ir lauko agronomijos derinio — bet galimas atlygis klimato sumaniai žemdirbystei yra didžiulis."
Tyrėjų komandos atradimas taip pat atveria platesnes diskusijas apie tarptautinį bendradarbiavimą, mokslinių duomenų dalijimąsi ir atviresnę prieigą prie genetinių bei mikrobiologinių išteklių, kurie būtini, siekiant greičiau ir saugiau pritaikyti panašias technologijas lauko sąlygomis. Jei įrodytume, kad tokios modifikacijos yra efektyvios ir ekologiniu požiūriu tvarios, tai galėtų sumažinti trąšų importo priklausomybę, pagerinti maisto saugumą ir prisidėti prie klimato kaitos švelninimo politikų įgyvendinimo.
Tarptautiniai mokslininkai ir pramonės partneriai turi koordinuoti tolesnius žingsnius: platesni genetiniai skenavimai, daugiasluoksniai lauko bandymai įvairiuose klimato regionuose, ilgalaikės dirvos sveikatos stebėsena ir skaidri rizikos vertinimo procesų komunikacija su viešosiomis institucijomis ir visuomene.
Galiausiai, nors šis atradimas nėra visuotinis sprendimas visiems javams ir visoms agroekosistemoms, jis suteikia vertingą mokslo pagrindą. Komandų pastangos išplėsti suvokimą apie augalų ir mikroorganizmų tarpusavio santykius, kartu su pažangia genetine bei mikrobiologine technologija, gali sukurti tvarius sprendimus, mažinančius trąšų poreikį ir prisidedančius prie mažesnio žemės ūkio poveikio klimatui.
Kaip tyrėjai visame pasaulyje plėtos šiuos rezultatus, tikslas nėra vien mokslinė naujovė, bet ir praktinis poveikis: mažinti trąšų priklausomybę, mažinti išmetimus ir stiprinti maisto saugumą. Aarhus universiteto tyrimas yra konkretus žingsnis link augalų, kurie bendradarbiauja su mikroorganizmais, o ne prieš juos — menkas molekulinis postūmis, galintis ateityje pakeisti žemės ūkį plačiąja prasme.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą