V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je Howard-Yana Shapiro, zdaj glavni direktor kmetijstva pri Mars, Incorporated, iskal nove vrste koruze. Bil je v okrožju Mixes v Oaxaci na jugu Mehike, območju, kjer so se najprej razvili predhodniki koruze (aka koruza), ko je našel nekaj najčudnejše koruze, kar jih je kdajkoli videlo. Ne le, da je bil visok 16 do 20 čevljev, da je na ameriških poljih pritrdil 12-metrske stvari, je zorel šest do osem mesecev, veliko dlje kot tri mesece, potrebne za navadno koruzo. Pa vendar je zrasel do tistih impresivnih višin, kar lahko dobrodelno imenujemo slaba tla, brez uporabe gnojila. Toda najčudnejši del koruze so bile njegove korenine v zraku - zelene in rožnate barve, izstopajoče iz prstov, ki štrlijo iz koruzni pecelj, kaplja s prozornim, sirupnim gelom.
Shapiro je posumil, da bi lahko bili ti sluzavi prsti sveti gral kmetijstva. Verjel je, da korenine omogočajo tej edinstveni sorti koruze, ki so jo poimenovali Sierra Mixe in jo lokalno gojijo v več sto ali celo tisoč letih, da ustvari svoj dušik, bistveno hranilo za pridelke, ki se običajno uporablja kot gnojilo v epskih količinah.
Ideja se mu je zdela obetavna, toda brez DNK orodij, ki bi preučilo posebnosti, kako koruza izdeluje dušik, je bilo odkritje odloženo. Skoraj dve desetletji pozneje, leta 2005, je Alan B. Bennett s kalifornijske univerze v Davisu - skupaj s Shapiro in drugimi raziskovalci - začel uporabljati vrhunsko tehnologijo, da bi pregledal lastnosti dušične koruze, ki fiksira dušik, in ugotovil, bakterije, ki živijo v sluzi, so vlagale dušik iz zraka in ga prenašale v obliko, ki jo koruza lahko absorbira.
Zdaj, po več kot desetletju terenskih raziskav in genetskih analiz, je ekipa svoje delo objavila v reviji PLOS Biology. Če bi lahko lastnost dušika, ki fiksira, lahko vzrejali v običajni koruzi, kar bi ji omogočilo, da proizvede celo del lastnega dušika, bi to lahko zmanjšalo stroške kmetovanja, zmanjšalo emisije toplogrednih plinov in ustavilo eno glavnih onesnaževal v jezerih, rekah in ocean. Z drugimi besedami, to bi lahko vodilo do druge revolucije dušika.
Sintetična proizvodnja dušika je morda največji dosežek 20. stoletja. Odkritje postopka Haber-Bosch in njegovih rafiniranj, pri katerih se dušik izloči iz zraka pod visoko toploto in pritiskom v prisotnosti katalizatorja, je privedlo do treh ločenih Nobelovih nagrad. In zasluženi so. Ocenjujejo, da se pridelek pridelka med letoma 1908 in 2008 poveča za več kot podvoji, sintetična dušikova gnojila pa so odgovorna za polovico rasti. Nekateri raziskovalci so povečali množično rast človeške populacije v zadnjih sedemdesetih letih s povečano uporabo dušikovih gnojil. Brez tega bi morali obdelovati skoraj štirikrat več zemlje ali imeti milijarde manj ljudi na svetu.
Toda proizvodnja vsega tega dušika ima posledice. Ocenjujejo, da za gnojenje s postopkom Haber-Bosch porabi med 1 in 2 odstotka svetovne energije, ki oddaja veliko toplogrednih plinov. Sintetični dušik rutinsko izpere polja v vodne poti, kar vodi do ogromnega cvetenja alg, ki sesajo ves kisik, ubijajo ribe in druge organizme. Toliko dušika gre v reke in potoke, da so se na ustju svetovnih rek razvile velike mrtve cone, vključno s tistim v Mehiškem zalivu, ki je bil lani velikost New Jerseyja. Mark Sutton iz britanskega Centra za ekologijo in hidrologijo dušik imenuje "boter onesnaževanja" - njegovi učinki so povsod, vendar krivca nikoli ne vidite.
Raziskovalci so celo presadili koruzo v Madison v Wisconsinu in ugotovili, da še vedno lahko proizvede svoj dušik iz domačega okolja. (Foto: Jean-Michel Ané) Toda dušika ne moremo samo prenehati, ne da bi opazili večje zmanjšanje v kmetijstvu. Čeprav lahko boljše prakse upravljanja in kmetovanja preprečijo, da bi bile zunaj vodnih poti, te strategije niso dovolj, da bi odpravile ekološke težave dušika. Zato se raziskovalci že desetletja sprašujejo, ali obstaja način, kako pomagati pridelkom žit, kot sta koruza in pšenica, proizvesti svoj dušik.
Ideja ni tako daleč, kot se sliši. Številne rastline, zlasti stročnice, kot soja, arašidi in detelja, imajo simbiotični odnos z bakterijami Rhizobium, ki za njih proizvajajo dušik. Rastline rastejo koreninske vozličke, kjer se bakterije naselijo in srbijo rastlinske sladkorje, medtem ko dušik v zraku pretvorijo v obliko, ki jo rastline lahko uporabljajo. Če bi lahko ugotovili podoben simbiotični odnos, ki deluje pri žitnih kulturah, kot sta koruza in pšenica, raziskovalci verjamejo, da bi lahko zmanjšali uporabo onesnaževala.
Zato je koruzna sluz tako pomembna in zakaj sta Bennett in njegova ekipa osem let preučevala in ponovno preučevala bakterije in gel, da bi se prepričala, da koruza resnično lahko proizvede svoj dušik. S pomočjo zaporedja DNK so lahko pokazali mikrobe v gnojnih genih za fiksiranje dušika in pokazali, da je gel, ki ga izloča koruza, ki vsebuje visok sladkor in malo kisika, popolnoma oblikovan za spodbujanje fiksacije dušika. S petimi različnimi testi so pokazali, da se je dušik, ki ga proizvajajo mikrobi, preusmeril v koruzo in zagotovil od 30 do 80 odstotkov potreb rastline. Nato so izdelali sintetično različico sluzi in jo posejali z mikrobi, pri čemer so ugotovili, da tudi v tem okolju proizvajajo dušik. Zrasli so celo v Sierra Mixe v Davisu v Kaliforniji in v Madisonu v Wisconsinu, kar je pokazalo, da lahko izvede poseben trik zunaj domačega travnatega območja v Mehiki.
"Ta mehanizem se popolnoma razlikuje od uporabe stročnic, " pravi Bennett in dodaja, da lahko obstaja tudi pri drugih poljščinah. "Zagotovo je mogoče, da v mnogih žitih obstajajo podobni sistemi. Sorgh ima na primer zračne korenine in sluz. Mogoče imajo drugi bolj subtilni mehanizmi, ki se pojavljajo pod zemljo, ki bi lahko obstajali širše. Zdaj ko se zavedamo, jih lahko poiščemo. "
Soavtor Jean Michel-Ane z univerze v Wisconsinu v Madisonu se strinja, da to odkritje odpira vse vrste novih možnosti. »Načrtovanje koruze za odstranjevanje dušika in oblikovanje koreninskih vozličev, kot so stročnice, so že desetletja sanje in boj znanstvenikov. Izkazalo se je, da je ta koruza razvila popolnoma drugačen način reševanja te težave z dušično fiksacijo. Znanstvena skupnost je verjetno podcenila fiksacijo dušika v drugih poljščinah zaradi svoje obsedenosti s koreninskimi vozlišči, «pravi v izjavi. "Ta koruza nam je pokazala, da narava lahko najde rešitve za nekatere težave, ki presegajo, kar bi si znanstveniki sploh lahko predstavljali."
Izkazalo se je, da ima narava v rokavu še več trikov, ki proizvajajo dušik, da se raziskovalci šele spoprijemajo. Obstaja več drugih tekočih projektov, katerih namen je pridobivanje žitnih in zelenjavnih pridelkov, da bi to naredili Haber-Bosching za nas. Ena najbolj obetavnih je uporaba endofitov ali mikroorganizmov, kot so bakterije in glive, ki živijo v medceličnih prostorih rastlin. Raziskovalka z univerze v Washingtonu Sharon Doty se je že pred nekaj desetletji zanimala za organizme. Preučevala je vrbe in topole, ki so med prvimi drevesa, ki so rasla na motenem zemljišču po dogodkih, kot so vulkanski izbruhi, poplave ali skalnjake. Ta drevesa so rasla iz rečnega gramoza in skoraj nimajo dostopa do dušika v tleh. V notranjosti njihovih stebel pa je Doty našla endofite, ki so fiksirali dušik za drevesa, koreninskih vozličkov ni potrebno. Od takrat je izklesala na desetine različnih sevov endofitov, od katerih mnogi pomagajo rastlinam na presenetljive načine. Nekateri proizvajajo dušik ali fosfor, drugo pomembno hranilo, drugi pa izboljšujejo rast korenin, nekateri pa omogočajo rastlinam, da preživijo v suši ali pogojih z veliko soli.
"Obstaja cela vrsta različnih mikrobov, ki lahko odstranijo dušik in širok spekter rastlinskih vrst, na katere vpliva, " pravi. Njeni testi so pokazali, da lahko mikrobi podvojijo produktivnost rastlin paprike in paradižnika, izboljšajo rast riža in prenesejo sušo toleranco na drevesa, kot so Douglasove jelke. Nekateri celo dovolijo drevesam in rastlinam, da sesajo in razgrajujejo industrijska onesnaževala, zato jih zdaj uporabljajo za čiščenje mest Superfund. „Prednost uporabe endofitov je, da gre za res veliko skupino. Odkrili smo vrste, ki delujejo z rižem, koruzo, paradižnikom, papriko in drugimi kmetijsko pomembnimi rastlinami. "
Pravzaprav bi ga endofiti lahko kmalu slej ko prej spravili v roke kmetov. Podjetje IntrinsyxBio v Los Altosu v Kaliforniji prodaja nekatere Dotyjeve endofite. Glavni znanstveni direktor John L. Freeman v intervjuju pravi, da je podjetje na poti, da bo izdelek pripravljen na trg v letu 2019. Cilj je, da v rastline dostavi več sevov endofitov, najverjetneje s prevleko semen. Ko se te bakterije naselijo v rastlini, naj izčrpajo približno 25 odstotkov dušika, ki ga potrebuje.
Drugo biotehnološko podjetje, imenovano Pivot Bio, je nedavno objavilo, da beta testira podobno raztopino z uporabo dušikov, ki pritrjujejo mikrobe, ki rastejo v koreninskih sistemih koruze.
Na novo nastajajoče področje sintetične biologije se tudi spopada težava z dušikom. Joyn Bio, ki je nastal v Bostonu, je bil ustanovljen lanskega septembra, je med drugimi projekti „oblikovalskih mikrobov“ med projektoma med Bayerjem in Ginkgo Bioworks, biotehnološkim podjetjem z izkušnjami ustvarjanja kvasovk in bakterij po meri za živilsko in aromatično industrijo. Joyn se trenutno bori skozi Bayerjevo knjižnico z več kot 100.000 mikrobi, da bi našla gostitelja, ki lahko uspešno kolonizira rastline, podobno kot Dotyjevi endofiti. Potem upajo, da bodo "gostiteljsko podvozje" prilagodili z geni, ki jim bodo omogočali, da fiksira dušik. "Namesto da se zanašamo na naravo in najdemo čarobnega mikroba, za katerega mislimo, da ne obstaja, želimo poiskati svojega gostiteljskega mikroba in ga prilagoditi, da bo naredil tisto, kar potrebujemo za koruzo ali pšenico, " pravi izvršni direktor Joyna Michael Miille .
V igri je tudi Fundacija Gates, ki podpira projekte, ki poskušajo v žitarice vgraditi dušične sposobnosti za fiksiranje dušika. Še vedno pa druge ekipe upajo, da bo prihodnje polnjenje kvantnega računalništva odprlo nova področja kemije in opredelilo nove katalizatorje, ki bodo Haber-Boschov proces naredili veliko učinkovitejše.
Čeprav je malo verjetno, da bi samo ena rešitev lahko nadomestila stoodstotno sintetično gnojilo, ki ga ljudje uporabljajo, bi morda lahko ti projekti resno ogrozili onesnaževanje z dušikom. Bennett upa, da bo Sierra Mixe in to, kar se je njegova ekipa naučila, del revolucije v dušiku, čeprav priznava, da je to zelo dolgo, preden bodo njegovi vitki koruzni prsti začeli proizvajati dušik v običajnih posevkih. Zdaj želi identificirati gene, ki proizvajajo zračne korenine, in določiti, kateri od tisoč mikrobov, odkritih v sluzi, dejansko fiksira dušik.
"Mislim, da bi lahko to, kar počnemo, dopolnilo tistim pristopom [endoyfte in sintetične biologije], " pravi. "Mislim, da bomo videli veliko različnih strategij in čez 5 do 10 let se bo pojavilo nekaj, kar bo vplivalo na to, kako koruza dobi dušik."
Beležka urednika 15.8.18: V prejšnjem osnutku tega članka je napačno napisano ime Johna L. Freemana in napačno identificirano njegovo trenutno podjetje.
