Znečištění Tato Vzácná Odrůda Kukuřice Si Vyvinula Způsob, Jak Si Vyrobit Vlastní Dusík

Kukuřice budoucnosti je stovky let stará a vytváří si vlastní hlen Věda

V 80. letech hledal Howard-Yana Shapiro, nyní hlavní zemědělský důstojník společnosti Mars, Incorporated, nové druhy kukuřice. Byl v okrese Mixes v Oaxace v jižním Mexiku, v oblasti, kde se poprvé vyvinuli předchůdci kukuřice (aka kukuřice), když lokalizoval nejpodivnější kukuřici, jakou kdy viděl. Nejen, že byl vysoký 16 až 20 stop, převyšoval 12 stop dlouhý materiál v amerických polích, zrání trvalo šest až osm měsíců, mnohem déle než 3 měsíce potřebné pro konvenční kukuřici. Přesto vzrostla do těch impozantních výšek v tom, co lze charitativně nazvat špatnou půdou, bez použití hnojiva. Ale nejpodivnější částí kukuřice byly její vzdušné kořeny - zelené a růžové barvy, vyčnívající jako prsty, vyčnívající z kukuřičná stéblo, kapající čirým, sirupovitým gelem.

Shapiro měl podezření, že ty slizké prsty mohou být svatým grálem zemědělství. Věřil, že kořeny umožňovaly této jedinečné odrůdě kukuřice, přezdívané Sierra Mixe a místně šlechtěné po stovky nebo dokonce tisíce let, produkovat vlastní dusík, základní živinu pro plodiny, která se obvykle používá jako hnojivo v epických množstvích.

p. t. barnum děti

Myšlenka vypadala slibně, ale bez nástrojů DNA, které by se zabývaly zvláštnostmi toho, jak kukuřice vyrábí dusík, byl objev odložen. Téměř o dvě desetiletí později, v roce 2005, Alan B. Bennett z Kalifornské univerzity v Davisu - spolu se Shapirem a dalšími vědci - začal používat špičkovou technologii k prozkoumání vlastností flegmy kukuřice vázajících dusík a zjistil, že bakterie žijící v hlenu táhly dusík ze vzduchu a přeměňovaly ho do formy, kterou by kukuřice mohla absorbovat.





Nyní, po více než deseti letech terénního výzkumu a genetické analýzy, tým publikoval svou práci v časopise PLOS Biology . Pokud by se vlastnost vázající dusík mohla chovat v konvenční kukuřici, což by jí umožnilo produkovat co i jen část vlastního dusíku, mohlo by to snížit náklady na zemědělství, snížit emise skleníkových plynů a zastavit jednu z hlavních znečišťujících látek v jezerech, řekách a oceán. Jinými slovy by to mohlo vést k druhé dusíkové revoluci.

Syntetická výroba dusíku může být největším úspěchem 20. století. Objev procesu Haber-Bosch a jeho zdokonalení, při kterém se dusík odstraňuje ze vzduchu za vysokého tepla a tlaku za přítomnosti katalyzátoru, vedl ke třem samostatným Nobelovým cenám. A jsou zasloužené. Odhaduje se to výnosy plodin se mezi lety 1908 a 2008 více než zdvojnásobily , s umělým dusíkatým hnojivem odpovědným až za polovinu tohoto růstu. Někteří vědci spojili obrovský růst lidské populace v posledních sedmdesáti letech se zvýšeným používáním dusíkatých hnojiv. Bez toho bychom museli obhospodařovat téměř čtyřikrát více půdy nebo mít na světě miliardy lidí.



Ale výroba veškerého tohoto dusíku má důsledky. Odhaduje se, že výroba hnojiv pomocí procesu Haber-Bosch využívá 1 až 2 procenta světové energie a produkuje velké množství skleníkových plynů. A syntetický dusík běžně odplavuje pole do vodních toků, což vede k masivním květům řas, které nasávají veškerý kyslík a zabíjejí ryby a jiné organismy. Do řek a potoků vstupuje tolik dusíku, že se u ústí světových řek vyvinuly velké mrtvé zóny, včetně té v loňském roce v Mexickém zálivubyla velikost New Jersey. Mark Sutton z britského Centra pro ekologii a hydrologii nazývá dusík Kmotrem znečištění - jeho účinky jsou všude, ale nikdy nevidíte viníka.

Vědci dokonce transplantovali kukuřici do Madisonu ve Wisconsinu a zjistili, že je stále schopná vyrobit svůj vlastní dusík z původního prostředí.

Vědci dokonce transplantovali kukuřici do Madisonu ve Wisconsinu a zjistili, že je stále schopná vyrobit svůj vlastní dusík z původního prostředí.(Foto: Jean-Michel Ané)

Nemůžeme však přestat jen s dusíkem, aniž bychom viděli velké snížení v zemědělství. I když lepší hospodaření a zemědělské postupy mohou pomoci udržet ji mimo vodní cesty, tyto strategie nestačí k vyřešení ekologických problémů dusíku. Proto vědci po celá desetiletí přemýšleli, jestli existuje způsob, jak pomoci obilným plodinám, jako je kukuřice a pšenice, produkovat vlastní dusík.



Myšlenka není tak přitažlivá, jak zní. Spousta rostlin, zejména luštěnin, jako jsou sójové boby, arašídy a jetel, má symbiotický vztah s bakteriemi Rhizobium, které pro ně produkují dusík. Rostliny rostou v kořenových uzlících, kde se bakterie usazují a usrkávají rostlinné cukry, zatímco přeměňují dusík ve vzduchu na formu, kterou mohou rostliny použít. Pokud lze najít podobný symbiotický vztah, který funguje v obilninových plodinách, jako je kukuřice a pšenice, vědci se domnívají, že bychom mohli snížit naše používání znečišťující látky.

Proto je hlenová kukuřice tak důležitá a proč Bennett a jeho tým strávili osm let studiem a opětovným studiem bakterií a gelů, aby se přesvědčili, že kukuřice je skutečně schopná produkovat svůj vlastní dusík. Pomocí sekvenování DNA byli schopni ukázat mikroby ve slizu nesených genech pro fixaci dusíku a demonstrovat gel, který je dokonale navržen tak, aby exkrementy kukuřice, které mají vysoký obsah cukru a nízký obsah kyslíku, podporovaly fixaci dusíku. Pomocí pěti různých testů prokázali, že dusík produkovaný mikroby se poté dostal do kukuřice a poskytl 30 až 80 procent potřeb rostliny. Poté vyrobili syntetickou verzi slizu a naočkovali ji mikroby, přičemž zjistili, že také v tomto prostředí produkují dusík. Vyrostli dokonce v Sierra Mixe v Davisu v Kalifornii a v Madisonu ve Wisconsinu, což ukazuje, že by mohl svůj speciální trik předvést i mimo svůj domovský trávník v Mexiku.

Tento mechanismus je zcela odlišný od toho, co používají luštěniny, říká Bennett a dodává, že může existovat i v jiných plodinách. Je jistě možné, že podobné typy systémů existují v mnoha obilovinách. Čirok má například vzdušné kořeny a sliz. Možná, že jiní mají jemnější mechanismy, které se vyskytují v podzemí a které by mohly existovat ve větší míře. Teď, když jsme si vědomi, můžeme je hledat.

Spoluautor Jean Michel-Ane z University of Wisconsin, Madison, souhlasí s tím, že tento objev otevírá všechny typy nových možností. Inženýrská kukuřice k fixaci dusíku a tvorbě kořenových uzlíků, jako jsou luštěniny, je snem a bojem vědců po celá desetiletí. Ukazuje se, že tato kukuřice vyvinula úplně jiný způsob, jak vyřešit tento problém s fixací dusíku. Vědecká komunita pravděpodobně podcenila fixaci dusíku v jiných plodinách kvůli své posedlosti kořenovými uzlíky, říká prohlášení . Tato kukuřice nám ukázala, že příroda může najít řešení některých problémů daleko nad rámec toho, co si vědci dokázali vůbec představit.

jak chodit s ženou s dětmi

Ukázalo se, že příroda má v rukávu ještě více triků produkujících dusík, s nimiž se vědci teprve potýkají. Existuje několik dalších probíhajících projektů, jejichž cílem je přimět obilné a zeleninové plodiny, aby pro nás udělaly Haber-Bosching. Jedním z nejslibnějších je použití endofytů nebo mikroorganismů, jako jsou bakterie a houby, které žijí v mezibuněčných prostorech rostlin. Sharon Dotyová z University of Washington se o organismy začala zajímat před několika desítkami let. Studovala vrby a topoly, které jsou mezi prvními stromy, které rostly na narušené zemi po událostech, jako byla sopečná erupce, povodně nebo padání skály. Tyto stromy rostly z říčního štěrku a téměř neměly přístup k dusíku v půdě. Uvnitř jejich stonků však Doty našel endofyty, které fixovaly dusík pro stromy, žádné kořenové uzliny nebyly nutné. Od té doby škádlila desítky různých kmenů endofytů, z nichž mnohé překvapivě pomáhají rostlinám. Některé produkují dusík nebo fosfor, další důležitou živinu, zatímco jiné zlepšují růst kořenů a některé umožňují rostlinám přežít v suchu nebo v podmínkách s vysokým obsahem soli.

Říká, že existuje celá řada různých mikrobů, které mohou fixovat dusík, a široká škála rostlinných druhů jimi ovlivněných. Její testy ukázaly, že mikroby mohou zdvojnásobit produktivitu rostlin pepře a rajčat, zlepšit růst rýže a dodat toleranci vůči suchu stromům, jako jsou douglasky. Některé dokonce umožňují stromům a rostlinám sát a rozkládat průmyslové kontaminanty a nyní se používají k čištění superfundových lokalit. Výhodou používání endofytů je, že jde o opravdu velkou skupinu. Našli jsme kmeny, které fungují s rýží, kukuřicí, rajčaty, paprikou a jinými zemědělsky důležitými plodinami.

Ve skutečnosti by se endofyty mohly dostat do rukou farmářů dříve než později. Společnost IntrinsyxBio se sídlem v Los Altos v Kalifornii komercializuje některé Dotyho endofyty. Vedoucí vědecký pracovník John L. Freeman v rozhovoru uvedl, že společnost je na dobré cestě, aby měla produkt připravený na trh v roce 2019. Cílem je dodávat do rostlin několik kmenů endofytů, nejpravděpodobněji potažením semen. Poté, co se tyto bakterie usadí uvnitř rostliny, měly by odčerpat asi 25 procent potřebného dusíku.

kdy byl Havaj objeven Polynésany

Další biotechnologická společnost s názvem Pivot Bio nedávno oznámila, že testuje beta podobné řešení pomocí mikrobů fixujících dusík, které rostou v kořenových systémech kukuřice.

Nově se rozvíjející pole syntetické biologie také rozbíjí problém s dusíkem. Joyn Bio z Bostonu, která byla založena loni v září, je společným projektem mezi Bayerem a Ginkgo Bioworks, biotechnologickou společností se zkušenostmi s vytvářením kvasinek a bakterií na zakázku pro potravinářský a aromatický průmysl, mimo jiné designérské projekty mikrobů. Joyn v současné době prochází Bayerovou knihovnou více než 100 000 mikrobů, aby našla hostitele, který může úspěšně kolonizovat rostliny, podobně jako Dotyho endofyty. Pak doufají, že vyladí hostitelské šasi pomocí genů, které mu umožní fixovat dusík. Spíše než spoléhat na přírodu a najít kouzelný mikrob, o kterém si nemyslíme, že existuje, chceme najít našeho hostitelského mikroba a doladit ho tak, aby to, co potřebujeme, udělal pro kukuřici nebo pšenici, říká výkonný ředitel Joyn Michael Miille.

Ve hře je také Gatesova nadace, která podporuje projekty, které se snaží předávat cereálie schopnost luštěnin fixovat dusík. Stále další týmy doufají, že příchod přeplňovaného kvantového výpočtu otevře nové oblasti chemie a identifikuje nové katalyzátory, díky nimž bude proces Haber-Bosch mnohem efektivnější.

I když je nepravděpodobné, že by jedno řešení samotné dokázalo nahradit 100 procent syntetických hnojiv, které lidé používají, možná by tyto projekty mohly společně způsobit vážnou zátěž v znečištění dusíkem. Bennett doufá, že Sierra Mixe a to, co se z toho jeho tým naučil, bude součástí dusíkové revoluce, i když připouští, že je to velmi dlouhý skok, než jeho slizké kukuřičné prsty začnou produkovat dusík v konvenčních plodinách. Nyní chce identifikovat geny, které produkují vzdušné kořeny, a určit, které z tisíců mikrobů objevených ve slizu skutečně fixují dusík.

Myslím, že to, co děláme, by mohlo být doplňkem těchto přístupů [endoyphte a syntetická biologie], říká. Myslím, že se dočkáme mnoha odlišných strategií a za 5 až 10 let se objeví něco, co má dopad na to, jak kukuřice získává dusík. “

Poznámka redakce 15. 8. 1818: Předchozí návrh tohoto článku chybně uvedl jméno Johna L. Freemana a nesprávně identifikoval jeho současnou společnost.





^