În anii 1980, Howard-Yana Shapiro, acum ofițer agricol șef la Marte, Incorporated, căuta noi tipuri de porumb. El a fost în districtul Mixes din Oaxaca din sudul Mexicului, zona în care au evoluat pentru prima dată precursorii porumbului (aka porumb), când a localizat o parte din cele mai ciudate porumb văzut vreodată. Nu numai că avea o înălțime de 16 până la 20 de metri, mângâind lucrurile de 12 metri în câmpurile americane, ci a durat șase-opt luni pentru a se maturiza, mult mai mult decât cele 3 luni necesare pentru porumbul convențional. Cu toate acestea, a crescut până la aceste înălțimi impresionante în ceea ce poate fi numit caritabil sol sărac, fără utilizarea de îngrășăminte .. Dar cea mai ciudată parte a porumbului a fost rădăcinile sale aeriene - verzi și colorate roz, proeminențe asemănătoare cu degetul ieșite din tulpina de porumb, picurând cu un gel limpede, sirop.
Shapiro bănuia că acele degete mucoase ar putea fi Sfântul Graal al agriculturii. El credea că rădăcinile au permis ca această varietate unică de porumb, supranumită Sierra Mixe și crescută local peste sute sau chiar mii de ani, să producă propriul azot, un nutrient esențial pentru culturi care este de obicei aplicat ca îngrășământ în cantități epice.
Ideea părea promițătoare, dar fără instrumente ADN pentru a analiza specificul modului în care porumbul făcea azot, descoperirea a fost păstrată. Aproape două decenii mai târziu, în 2005, Alan B. Bennett de la Universitatea din California, Davis - împreună cu Shapiro și alți cercetători - au început să folosească tehnologia de ultimă oră pentru a analiza proprietățile de fixare a azotului din porumbul flegmiei, descoperind că într-adevăr, bacteriile care trăiesc în mucus trăgeau azot din aer, transmutându-l într-o formă pe care porumbul o putea absorbi.
Acum, după peste un deceniu de cercetări de teren și analize genetice, echipa și-a publicat lucrările în revista PLOS Biology. Dacă trăsăturile de fixare a azotului ar putea fi crescute în porumb convențional, ceea ce îi permite să producă chiar și o parte din propriul său azot, ar putea reduce costul agriculturii, reduce emisiile de gaze cu efect de seră și oprește unul dintre poluanții majori din lacuri, râuri și ocean. Cu alte cuvinte, ar putea duce la o a doua revoluție a azotului.
Producția sintetică de azot poate fi cea mai mare realizare a secolului XX. Descoperirea procesului Haber-Bosch și rafinamentele sale, în care azotul este eliminat din aer sub căldură și presiune ridicată în prezența unui catalizator, a dus la trei premii Nobel separate. Și sunt bine meritați. Se estimează că randamentul culturilor a fost mai mult decât dublat între 1908 și 2008, îngrășământul sintetic cu azot responsabil pentru până la jumătate din această creștere. Unii cercetători au legat creșterea masivă a populației umane în ultimii șaptezeci de ani de utilizarea crescută a îngrășămintelor cu azot. Fără asta, ar fi trebuit să fermăm de aproape patru ori mai mult pământ sau să avem miliarde de oameni mai puțini în lume.
Dar producerea de tot acel azot are consecințe. Se estimează că producerea de îngrășăminte prin procedeul Haber-Bosch utilizează între 1 și 2 la sută din energia lumii, emitând o mulțime de gaze cu efect de seră. Iar azotul sintetic se spală de rutină pe câmpurile navigabile, ceea ce duce la înflorirea masivă de alge care aspiră tot oxigenul, ucigând peștii și alte organisme. Atât de mult azot intră în râuri și pâraie, încât marile zone moarte s-au dezvoltat la gurile râurilor lumii, inclusiv una din Golful Mexic, care anul trecut a fost de dimensiunea New Jersey. Mark Sutton de la Centrul de Ecologie și Hidrologie din Marea Britanie numește azot „Nașul poluării” - efectele sunt peste tot, dar niciodată nu vedeți vinovatul.
Cercetătorii chiar au transplantat porumbul la Madison, Wisconsin, constatând că acesta era încă capabil să-și facă propriul azot din mediul său natal. (Foto: Jean-Michel Ané) Dar nu putem renunța doar la azot fără să vedem reduceri majore în agricultură. Deși o mai bună gestionare și practici agricole pot ajuta la menținerea ei în afara căilor navigabile, aceste strategii nu sunt suficiente pentru a remedia problemele ecologice ale azotului. De aceea, cercetătorii s-au întrebat de zeci de ani dacă există o modalitate de a ajuta culturile de cereale precum porumbul și grâul să-și producă propriul azot.
Ideea nu este atât de îndepărtată pe cât pare. O mulțime de plante, în special leguminoase precum soia, alunele și trifoiul, au o relație simbiotică cu bacteriile Rhizobium, care produc azot pentru ele. Plantele cultivă noduli rădăcini în care bacteriile își au reședința și sorb din zaharurile plantelor, transformând azotul din aer într-o formă pe care plantele o pot folosi. Dacă s-ar putea găsi o relație simbiotică similară care funcționează în culturile de cereale precum porumbul și grâul, cercetătorii cred că am putea reduce utilizarea poluanților.
De aceea, porumbul de mucus este atât de important și de ce Bennett și echipa sa au petrecut opt ani studiind și re-studiind bacteriile și gelul pentru a se convinge că porumbul a fost într-adevăr capabil să-și producă propriul azot. Folosind secvențializarea ADN-ului, au fost capabili să arate microbii din genele transportate cu mahala pentru fixarea azotului și au demonstrat gelul că excreții de porumb, care au un nivel ridicat de zahăr și un nivel scăzut de oxigen, este perfect conceput pentru a încuraja fixarea azotului. Folosind cinci teste diferite, ei au arătat că azotul produs de microbi și-a croit apoi porumbul, oferind 30 până la 80 la sută din nevoile plantei. Apoi au produs o versiune sintetică a slime-ului și au însămânțat-o cu microbii, descoperind că au produs azot și în acel mediu. Au crescut chiar Sierra Mixe în Davis, California, și Madison, Wisconsin, arătând că își poate efectua trucul special în afara gazonului său din Mexic.
„Acest mecanism este total diferit de ceea ce folosesc leguminoasele”, spune Bennett, adăugând că poate exista și în alte culturi. „Cu siguranță este de crezut că în multe cereale există tipuri similare de sisteme. Sorgul, de exemplu, are rădăcini și mucilagii aerieni. Poate că alții au mecanisme mai subtile care apar sub pământ, care ar putea exista mai pe larg. Acum că suntem conștienți, îi putem căuta. ”
Coautorul Jean Michel-Ane de la Universitatea din Wisconsin, Madison, este de acord că această descoperire deschide toate tipurile de posibilități noi. „Porumbul de inginerie pentru a repara azotul și a forma noduli rădăcini precum leguminoasele a fost un vis și o luptă a oamenilor de știință de zeci de ani. Se pare că acest porumb a dezvoltat o modalitate total diferită de a rezolva această problemă de fixare a azotului. Comunitatea științifică a subestimat fixarea azotului în alte culturi din cauza obsesiei sale pentru nodulii rădăcini ”, spune el într-un comunicat. „Acest porumb ne-a arătat că natura poate găsi soluții pentru unele probleme mult peste ceea ce oamenii de știință și-ar putea imagina vreodată”.
Se dovedește că natura are și mai multe trucuri producătoare de azot pe mânecă pe care cercetătorii tocmai le iau mâna. Există mai multe proiecte în curs de desfășurare care vizează obținerea de culturi de cereale și legume pentru a face Haber-Bosching pentru noi. Unul dintre cele mai promițătoare este utilizarea endofitelor sau a microorganismelor precum bacteriile și ciupercile care trăiesc în spațiile intercelulare ale plantelor. Cercetătorul de la Universitatea din Washington, Sharon Doty, s-a interesat de organisme în urmă cu câteva decenii. Ea studia salcii și plopii, care sunt printre primii copaci care au crescut pe pământ perturbat, după evenimente precum o erupție vulcanică, inundații sau stâncă. Acești copaci creșteau din pietrișul râului, cu aproape niciun acces la azot în sol. În interiorul tulpinilor lor, Doty a găsit endofiți care fixau azotul pentru copaci, fără a fi necesari noduli rădăcini. De atunci, ea a tachinat zeci de tulpini de endofite diverse, multe dintre ele ajutând plantele în moduri surprinzătoare. Unii produc azot sau fosfor, un alt nutrient important, în timp ce alții îmbunătățesc creșterea rădăcinilor și unii permit plantelor să supraviețuiască în condiții de secetă sau săruri ridicate.
„Există] o multitudine de diferiți microbi care pot repara azotul și o gamă largă de specii de plante afectate de aceștia”, spune ea. Testele sale au arătat că microbii pot dubla productivitatea plantelor de ardei și roșii, pot îmbunătăți creșterea orezului și pot oferi toleranță la secetă copacilor cum ar fi brazii Douglas. Unii chiar permit copacilor și plantelor să aspire și să descompună contaminanții industriali și sunt folosiți acum pentru curățarea siturilor Superfund. „Avantajul folosirii endofiților este că este un grup foarte mare. Am găsit tulpini care funcționează cu orez, porumb, roșii, ardei și alte plante de cultură importante din punct de vedere agricol. "
De fapt, endofiții ar putea ajunge în mâinile fermierilor mai devreme decât mai târziu. Introsinsul Bios din Los Altos, din California, comercializează unele dintre endofitele lui Doty. Șeful științei, John L. Freeman, spune că, într-un interviu, compania este pe cale să aibă un produs pregătit pentru piață în 2019. Scopul este de a livra mai multe tulpini de endofite în plante, cel mai probabil prin acoperirea semințelor. După ce bacteriile își au reședința în interiorul plantei, acestea ar trebui să pompeze aproximativ 25 la sută din azotul de care are nevoie.
O altă companie biotehnologică, numită Pivot Bio, a anunțat recent că testează beta o soluție similară, folosind microbi care fixează azotul, care cresc în sistemele radiculare ale porumbului.
Câmpul nou apărut al biologiei sintetice ia și el o fisură la problema azotului. Joyn Bio, cu sediul în Boston, format în septembrie anul trecut, este un co-proiect între Bayer și Ginkgo Bioworks, o companie biotehnologică cu experiență în crearea de drojdii și bacterii personalizate pentru industria alimentară și aromatizantă, printre alte proiecte „microbi de designer”. Joyn se combină în prezent prin biblioteca lui Bayer de peste 100.000 de microbi pentru a găsi o gazdă care să poată coloniza cu succes plantele, similar cu endofitele lui Doty. Apoi speră să regleze acel „șasiu gazdă” cu gene care să îi permită să fixeze azotul. „În loc să ne bazăm pe natură și să găsim un microb magic, pe care nu credem că există, vrem să găsim microbul nostru gazdă și să-l reglăm bine pentru a face ceea ce avem nevoie pentru a face pentru porumb sau grâu”, spune CEO-ul Joyn, Michael Miille .
Fundația Gates participă, de asemenea, la joc, susțin proiecte care încearcă să ofere abilităților de fixare a azotului din leguminoase în cereale. Alte echipe speră ca apariția calculului cuantic supraalimentat să deschidă noi tărâmuri ale chimiei și să identifice noi catalizatori care vor face procesul Haber-Bosch mult mai eficient.
Deși este puțin probabil ca o singură soluție să poată înlocui 100% din îngrășământul sintetic pe care îl folosesc oamenii, probabil, împreună, aceste proiecte ar putea face o apariție serioasă în poluarea cu azot. Bennett speră că Sierra Mixe și ceea ce echipa sa a aflat de la acesta vor face parte din revoluția azotului, deși recunoaște că este un salt foarte lung înainte ca degetele sale subțiri de porumb să înceapă să producă azot în culturile convenționale. Acum vrea să identifice genele care produc rădăcinile aeriene și să fixeze care dintre miile de microbi descoperiți în mucilagiu fixează de fapt azotul.
„Cred că ceea ce facem ar putea fi complementar cu abordările [endoyphte și biologie sintetică]”, spune el. "Cred că vom vedea multe strategii divergente, iar în 5 până la 10 ani va apărea ceva care va avea impact asupra modului în care porumbul devine azot".
Nota editorului 8/8/18: Un proiect anterior al acestui articol a scris greșit numele lui John L. Freeman și a identificat greșit compania sa actuală.
