دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا دیویس (UC Davis) گندمی را تولید کردهاند که میتواند با انتشار یک ماده شیمیایی که باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن در خاک را فعال میکند، تا حدی خود را بارور کند.
این گیاهان اصلاحشده، با استفاده از کمک این میکروبها، از نیتروژن جو زمین استفاده میکنند و نیاز به کودهای مصنوعی را کاهش میدهند. این پیشرفت میتواند آلودگی را کاهش دهد، هزینههای کشاورزی را پایین بیاورد و رشد محصول را در مناطق فقیر از مواد مغذی بهبود بخشد. همچنین میتواند راه را برای پیشرفتهای مشابه در سایر محصولات عمده غلات هموار کند.
مهندسی گندم برای کمک به تولید کود طبیعی خود
این پروژه توسط ادواردو بلوموالد، استاد برجسته دپارتمان علوم گیاهی، رهبری شد. تیم او از ابزار ویرایش ژن CRISPR برای افزایش تولید یکی از ترکیبات طبیعی گیاه گندم استفاده کردند. هنگامیکه گیاه مقدار اضافی این ترکیب را در خاک اطراف خود آزاد میکند، از باکتریهای خاکی پشتیبانی میکند که نیتروژن هوا را به شکلی که گیاهان به راحتی جذب کنند، تبدیل میکنند. این فرآیند به عنوان تثبیت نیتروژن شناخته میشود.
یافتههای این مطالعه به صورت آنلاین در مجله بیوتکنولوژی گیاهی (Plant Biotechnology Journal) منتشر شده است.
تأثیر بالقوه بر امنیت غذایی جهانی
در بسیاری از مناطق در حال توسعه، این کشف میتواند جهشی بزرگ در قابلیت اطمینان محصول و عرضه مواد غذایی ایجاد کند.
بلوموالد میگوید:
در آفریقا، مردم از کود استفاده نمیکنند، زیرا پولی ندارند، و مزارع کوچک هستند، نه بزرگتر از شش تا هشت هکتار. تصور کنید، شما محصولاتی میکارید که باکتریهای موجود در خاک را برای تولید کودی که محصولات نیاز دارند، بهطور طبیعی تحریک میکنند. شگفتانگیز است! این تفاوت بزرگی ایجاد میکند!
این رقم جدید گندم بر پایه پیشرفتهای قبلی این تیم در برنج بنا شده است، و مطالعات بیشتری در حال بررسی این موضوع است که چگونه میتوان این رویکرد را در سایر محصولات غلات نیز به کار برد.
چالش کود
گندم از نظر عملکرد، دومین محصول بزرگ غلات در جهان است و حدود ۱۸٪ از مصرف جهانی کود نیتروژن را تشکیل میدهد. بر اساس گزارش سازمان خواربار و کشاورزی ملل متحد، در سال ۲۰۲۰، بیش از ۸۰۰ میلیون تن کود در سراسر جهان تولید شد.
با این حال، گیاهان معمولاً تنها ۳۰ تا ۵۰ درصد از نیتروژن موجود در کود را جذب میکنند. مابقی اغلب شسته شده و وارد آبراهها میشود و به ایجاد “مناطق مرده” کمک میکند؛ جاییکه سطح اکسیژن برای حمایت از حیات آبزیان بیش از حد پایین میآید. نیتروژن اضافی باقیمانده در خاک نیز میتواند باعث تولید اکسید نیتروژن (N2O) شود، که یک گاز گلخانهای قوی است.
درک مانع زیستی
باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن به آنزیمی به نام نیتروژناز متکی هستند، که “تثبیتکننده” اصلی در فرآیند تثبیت نیتروژن است. این آنزیم فقط در داخل این باکتریها وجود دارد و تنها میتواند در شرایط اکسیژن بسیار کم عمل کند.
گیاهان خانواده حبوبات مانند نخود و لوبیا بهطور طبیعی این مشکل را با تشکیل گرههای ریشهای حل میکنند؛ گرههایی که یک محیط کماکسیژن ایجاد کرده و از باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن محافظت میکنند.
گندم و اکثر محصولات دیگر چنین گرههایی را تشکیل نمیدهند، به همین دلیل است که کشاورزان به کودهای مبتنی بر نیتروژن وابسته هستند.
بلوموالد گفت:
رای دههها، دانشمندان تلاش کردهاند تا محصولات غلاتی را تولید کنند که گرههای ریشهای فعال تولید کنند، یا سعی کردهاند غلات را با باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن کلونیزه کنند، اما موفقیت زیادی نداشتهاند. ما از رویکرد دیگری استفاده کردیم.
او ادامه داد:
ما گفتیم که محل باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن مهم نیست، تا زمانی که نیتروژن تثبیتشده بتواند به گیاه برسد، و گیاه بتواند از آن استفاده کند.
یافتن راهی جدید برای حمایت از باکتریهای تثبیتکننده نیتروژن
برای شناسایی یک راهحل بالقوه، تیم تحقیقاتی ۲۸۰۰ ماده شیمیایی را که بهطور طبیعی توسط گیاهان تولید میشوند، ارزیابی کردند. آنها ۲۰ ماده را شناسایی کردند که نهتنها برای گیاه مفید هستند بلکه به باکتریها کمک میکنند تا بیوفیلم تشکیل دهند. این لایههای محافظ چسبنده، یک محیط کماکسیژن ایجاد میکنند که به نیتروژناز اجازه میدهد تا کار کند. سپس محققان مشخص کردند که گیاهان چگونه این ترکیبات را میسازند و کدام ژنها تولید آنها را تنظیم میکنند.
با استفاده از CRISPR، این تیم گندم را طوری مهندسی کرد که سطوح بالاتری از یک فلاون به نام اپیژنین (apigenin) تولید کند. از آنجاییکه گیاهان اصلاحشده اپیژنین بیشتری از آنچه نیاز دارند تولید میکنند، مازاد آن از طریق ریشههایشان به داخل خاک آزاد میشود. در آزمایشها، اپیژنین اضافی، باکتریهای خاک را تشویق کرد تا بیوفیلمهایی بسازند که از نیتروژناز محافظت میکنند و به باکتریها اجازه میدهند تا نیتروژن را به شکلی که گندم بتواند استفاده کند، تثبیت کنند.
هنگامیکه گندم اصلاحشده در شرایط کود نیتروژن بسیار کم رشد کرد، عملکرد بیشتری نسبت به گیاهان شاهد (کنترل) داشت.
مزایای اقتصادی عمده برای کشاورزان
بر اساس برآوردهای وزارت کشاورزی ایالات متحده (USDA)، کشاورزان در این کشور در سال ۲۰۲۳ تقریباً ۳۶ میلیارد دلار صرف کود کردند. بلوموالد اشاره میکند که نزدیک به ۵۰۰ میلیون هکتار در کشور زیر کشت غلات است.
او فکر میکند:
تصور کنید، اگر بتوانید ۱۰ درصد از میزان کودی را که در آن زمین استفاده میشود، صرفهجویی کنید.» او با احتیاط محاسبه میکند: «این باید سالانه بیش از یک میلیارد دلار صرفهجویی باشد.
منبع: Scitechdaily
