Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Davis στην Καλιφόρνια χρησιμοποίησαν την τεχνική στοχευμένης επεξεργασίας γονιδίων CRISPR για να δημιουργήσουν ένα σιτάρι που ενθαρρύνει τα βακτήρια του εδάφους να μετατρέψουν το ατμοσφαιρικό άζωτο σε λίπασμα, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τα φυτά.
Ενισχύοντας μια φυσική ένωση (μια φλαβόνη) στο φυτό, την απιγενίνη, το σιτάρι ενεργοποιεί τα βακτήρια του εδάφους να σχηματίσουν ένα βιοφίλμ που τους επιτρέπει τη δέσμευση του αζώτου. Η ουσία αυτή λειτουργεί σαν «μαγνήτης» για ωφέλιμα αζωτοδεσμευτικά βακτήρια του εδάφους. Πρόκειται για μια διαδικασία που μέχρι τώρα ήταν χαρακτηριστικό κυρίως των ψυχανθών και όχι των δημητριακών.
Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να ελαττώσει τη ρύπανση του εδάφους, να μειώσει τα έξοδα των γεωργικών εκμεταλλεύσεων και να βελτιώσει την απόδοση των καλλιεργειών σε περιοχές με χαμηλή περιεκτικότητα σε θρεπτικά συστατικά. Μπορεί επίσης να ανοίξει το δρόμο για παρόμοιες εξελίξεις και σε άλλες σημαντικές καλλιέργειες δημητριακών.
Επικεφαλής του έργου είναι ο Eduardo Blumwald, διακεκριμένος καθηγητής στο Τμήμα Φυτικών Επιστημών στο Πανεπιστήμιο Davis και τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο Plant Biotechnology Journal.
Σε πολλές αναπτυσσόμενες περιοχές, αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να δώσει σημαντική ώθηση στην αξιοπιστία των καλλιεργειών και στην προσφορά τροφίμων. Για παράδειγμα, στην Αφρική, που οι άνθρωποι δεν χρησιμοποιούν λιπάσματα επειδή δεν έχουν χρήματα, οι γεωργικές εκτάσεις δεν ξεπερνούν τα 6 έως 8 στρέμματα. Φανταστείτε, πόσο δελεαστική είναι για αυτούς η ιδέα να καλλιεργούν φυτά που διεγείρουν βακτήρια στο έδαφος για να δημιουργήσουν το λίπασμα που χρειάζονται.
Το σιτάρι είναι η δεύτερη μεγαλύτερη σε απόδοση καλλιέργεια δημητριακών στον κόσμο και καταναλώνει περίπου το 18% των αζωτούχων λιπασμάτων παγκοσμίως. Σύμφωνα με τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας των Ηνωμένων Εθνών, μόνο το 2020, παράχθηκαν περισσότεροι από 800 εκατομμύρια τόνοι λιπασμάτων παγκοσμίως. Όμως τα φυτά συνήθως απορροφούν μόνο το 30% - 50% του αζώτου που υπάρχει στο λίπασμα και το υπόλοιπο συχνά καταλήγει σε υδάτινες οδούς, συμβάλλοντας στη δημιουργία «νεκρών ζωνών» όπου τα επίπεδα οξυγόνου πέφτουν πολύ χαμηλά για να υποστηρίξουν την υδρόβια ζωή. Η περίσσεια αζώτου που απομένει στο έδαφος μπορεί επίσης να παραγάγει υποξείδιο του αζώτου που είναι ένα ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου.
Σύμφωνα με εκτιμήσεις του Υπουργείου Γεωργίας των ΗΠΑ, το 2023 οι αγρότες δαπάνησαν σχεδόν 36 δισεκατομμύρια δολάρια σε λιπάσματα. Αν μπορούσε να εξοικονομηθεί το 10% της ποσότητας λιπάσματος που χρησιμοποιείται σε αυτή τη γη θα ξεπερνούσε το ένα δισεκατομμύρια δολάρια σε ετήσια βάση.
Κεντρικός ο ρόλος ενός ενζύμου «δεσμευτή»
Τα βακτήρια που δεσμεύουν το άζωτο βασίζονται σε ένα ένζυμο «δεσμευτή» που ονομάζεται νιτρογενάση, το οποίο διαδραματίζει κεντρικό ρόλο στη δέσμευση του αζώτου. Αυτό το ένζυμο υπάρχει μόνο μέσα σε αυτά τα βακτήρια και μπορεί να λειτουργήσει μόνο σε συνθήκες πολύ χαμηλής περιεκτικότητας σε οξυγόνο.
Τα όσπρια όπως τα μπιζέλια και τα φασόλια λύνουν αυτό το πρόβλημα με φυσικό τρόπο σχηματίζοντας ριζικά οζίδια, τα οποία δημιουργούν το απαιτούμενο περιβάλλον χαμηλής περιεκτικότητας σε οξυγόνο που προστατεύει τα αζωτοδεσμευτικά βακτήρια. Το σιτάρι και οι περισσότερες άλλες καλλιέργειες δεν σχηματίζουν τέτοια οζίδια γι’ αυτό και οι αγρότες εξαρτώνται από αζωτούχα λιπάσματα.
«Για δεκαετίες οι επιστήμονες προσπαθούν να αναπτύξουν καλλιέργειες δημητριακών που να παράγουν ενεργά ριζικά οζίδια ή προσπαθούν να δημιουργήσουν αποικίες αζωτοδεσμευτικών βακτηρίων στα δημητριακά χωρίς μεγάλη επιτυχία. Εμείς χρησιμοποιήσαμε μια διαφορετική προσέγγιση», σημειώνει ο Blumwald σε δελτίο τύπου. «Είπαμε ότι το σημείο όπου βρίσκονται τα βακτήρια που δεσμεύουν άζωτο δεν είναι σημαντικό, αρκεί το δεσμευμένο άζωτο να μπορεί να φτάνει στο φυτό και το φυτό να το χρησιμοποιεί».
Η ερευνητική ομάδα αξιολόγησε 2.800 χημικές ουσίες που παράγονται φυσικά από τα φυτά και εντόπισε 20 που όχι μόνο ωφελούν το φυτό, αλλά βοηθούν και τα βακτήρια να σχηματίσουν το βιοφίλμ. Αυτά τα κολλώδη προστατευτικά στρώματα δημιουργούν ένα περιβάλλον χαμηλής περιεκτικότητας σε οξυγόνο που επιτρέπει τη λειτουργία της νιτρογενάσης. Στη συνέχεια, οι ερευνητές προσδιόρισαν το πώς τα φυτά παράγουν αυτές τις ενώσεις και ποια γονίδια ρυθμίζουν την παραγωγή τους.
Χρησιμοποιώντας το CRISPR, η ομάδα τροποποίησε το σιτάρι ώστε να παράγει υψηλότερα επίπεδα απιγενίνης. Επειδή τα τροποποιημένα φυτά παράγουν περισσότερη απιγενίνη από όση χρειάζονται, η περίσσεια απελευθερώνεται από τις ρίζες τους στο έδαφος. Σε πειράματα, η επιπλέον απιγενίνη ενθάρρυνε τα βακτήρια του εδάφους να δημιουργήσουν βιοφίλμ, επιτρέποντάς τους να δεσμεύουν το άζωτο σε μια μορφή που μπορεί να χρησιμοποιήσει το σιτάρι.
Το τροποποιημένο σιτάρι όταν καλλιεργήθηκε υπό συνθήκες πολύ χαμηλής περιεκτικότητας σε αζωτούχα λιπάσματα πρόσφερε υψηλότερες αποδόσεις από τα φυτά ελέγχου, περισσότερα στάχυα και περισσότερους σπόρους ανά φυτό, μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε άζωτο στα φύλλα και στους κόκκους, βελτιωμένη φωτοσύνθεση και ανάπτυξη και σε, ορισμένες περιπτώσεις, διπλάσια παραγωγή σε σχέση με το συμβατικό σιτάρι. Με απλά λόγια, το φυτό κατάφερε να «αναπληρώσει» το λίπασμα που του έλειπε μέσω της σχέσης που ανέπτυξε με τα βακτήρια του εδάφους.
Η μελέτη δείχνει πως είναι πρακτικά εφικτό να «επιδιορθωθεί» η ριζική έκκριση του φυτού (root exudation) ώστε να προσελκύει ωφέλιμα βακτήρια, κάτι που μέχρι τώρα έδειχνε να είναι πολύ φιλόδοξο για τα δημητριακά
Ωστόσο, παρότι τα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά, η εφαρμογή αυτής της τεχνικής στην πράξη απαιτεί ευρείας κλίμακας δοκιμές στο χωράφι, διασφάλιση της ασφάλειας και της διατροφικής ποιότητας, καθώς ρυθμιστικές εγκρίσεις δεδομένου ότι πρόκειται για έναν γενετικά επεξεργασμένο οργανισμό.
