Επιστήμονες στις ΗΠΑ δημιούργησαν σιτάρι που μπορεί να να παράγει το δικό του φυσικό λίπασμα απελευθερώνοντας μια χημική ουσία που ενεργοποιεί βακτήρια στο έδαφος ικανά να δεσμεύουν άζωτο. Τα τροποποιημένα φυτά χρησιμοποιούν αυτή τη μικροβιακή βοήθεια για να αξιοποιούν το άζωτο της ατμόσφαιρας, μειώνοντας την ανάγκη για συνθετικά λιπάσματα. Η καινοτομία αυτή θα μπορούσε να περιορίσει τη ρύπανση, να μειώσει το κόστος για τους αγρότες και να βελτιώσει την ανάπτυξη των καλλιεργειών σε εδάφη με φτωχά θρεπτικά στοιχεία. Ενδέχεται επίσης να ανοίξει τον δρόμο για αντίστοιχα επιτεύγματα σε άλλα βασικά δημητριακά.
Σιτάρι τροποποιημένο ώστε να παράγει το δικό του λίπασμα
Επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Ντέιβις ανέπτυξαν φυτά σιταριού που μπορούν να ενθαρρύνουν τον σχηματισμό του δικού τους φυσικού λιπάσματος. Επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας είναι ο Εντουάρντο Μπλούμγουαλντ, διακεκριμένος καθηγητής στο Τμήμα Φυτικών Επιστημών. Η ομάδα του χρησιμοποίησε το εργαλείο γονιδιακής επεξεργασίας CRISPR για να αυξήσει την παραγωγή μιας από τις φυσικές ενώσεις του φυτού σιταριού. Όταν το φυτό απελευθερώνει την επιπλέον ποσότητα αυτής της ένωσης στο έδαφος, υποστηρίζει βακτήρια που μετατρέπουν το άζωτο από τον αέρα σε μορφή που τα φυτά μπορούν εύκολα να απορροφήσουν. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως δέσμευση αζώτου.
Πιθανός αντίκτυπος στην παγκόσμια επισιτιστική ασφάλεια
Σε πολλές αναπτυσσόμενες περιοχές, η καινοτομία αυτή θα μπορούσε να ενισχύσει την αξιοπιστία των καλλιεργειών και την επάρκεια τροφίμων.
«Στην Αφρική, οι άνθρωποι δεν χρησιμοποιούν λιπάσματα επειδή δεν έχουν χρήματα, και οι φάρμες είναι μικρές, όχι μεγαλύτερες από έξι έως οκτώ στρέμματα», δήλωσε ο Μπλούμγουαλντ. «Φανταστείτε να καλλιεργείτε φυτά που διεγείρουν τα βακτήρια του εδάφους ώστε να παράγουν φυσικά το λίπασμα που χρειάζονται οι καλλιέργειες. Αυτή είναι τεράστια διαφορά» πρόσθεσε.
Η νέα αυτή ποικιλία σιταριού βασίζεται σε προηγούμενη έρευνα της ομάδας στο ρύζι, ενώ πρόσθετες μελέτες εξετάζουν πώς μπορεί να εφαρμοστεί η προσέγγιση και σε άλλα δημητριακά.
Η πρόκληση των λιπασμάτων
Το σιτάρι είναι η δεύτερη μεγαλύτερη δημητριακή καλλιέργεια στον κόσμο ως προς την παραγωγή και ευθύνεται για περίπου το 18% της παγκόσμιας χρήσης αζωτούχων λιπασμάτων. Πάνω από 800 εκατομμύρια τόνοι λιπασμάτων παρήχθησαν παγκοσμίως το 2020, σύμφωνα με τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας του ΟΗΕ.
Ωστόσο, τα φυτά απορροφούν συνήθως μόνο το 30–50% του αζώτου από τα λιπάσματα. Το υπόλοιπο καταλήγει συχνά σε υδάτινα συστήματα, συμβάλλοντας στη δημιουργία «νεκρών ζωνών» όπου τα επίπεδα οξυγόνου πέφτουν πολύ χαμηλά για να υποστηρίξουν θαλάσσια ζωή. Το περίσσιο άζωτο στο έδαφος μπορεί επίσης να παράγει υποξείδιο του αζώτου, ένα ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου.
Κατανόηση του βιολογικού εμποδίου
Τα βακτήρια που δεσμεύουν άζωτο βασίζονται σε ένα ένζυμο που ονομάζεται νιτρογενάση, το οποίο λειτουργεί μόνο σε πολύ χαμηλά επίπεδα οξυγόνου. Τα ψυχανθή όπως τα μπιζέλια και τα φασόλια δημιουργούν φυμάτια στις ρίζες τους τα οποία παρέχουν ένα περιβάλλον χαμηλού οξυγόνου που προστατεύει τα βακτήρια δέσμευσης αζώτου. Ωστόσο, το σιτάρι και τα περισσότερα φυτά δεν δημιουργούν τέτοια φυμάτια — γι’ αυτό οι αγρότες εξαρτώνται από τα αζωτούχα λιπάσματα.
«Για δεκαετίες, οι επιστήμονες προσπαθούν να αναπτύξουν δημητριακά που σχηματίζουν ενεργά ριζικά φυμάτια ή να τα αποικίσουν με βακτήρια δέσμευσης αζώτου, χωρίς μεγάλη επιτυχία. Εμείς ακολουθήσαμε άλλη προσέγγιση», εξήγησε ο επικεφαλής της μελέτης. «Είπαμε πως η τοποθεσία των βακτηρίων δεν έχει σημασία, αρκεί το δεσμευμένο άζωτο να φτάνει στο φυτό και το φυτό να μπορεί να το χρησιμοποιήσει» σημείωσε.
Μια νέα προσέγγιση για την υποστήριξη των βακτηρίων
Για να εντοπίσει μια πιθανή λύση, η ερευνητική ομάδα αξιολόγησε 2.800 χημικές ουσίες που παράγονται φυσικά από φυτά. Εντόπισε 20 που δεν ωφελούν μόνο το ίδιο το φυτό, αλλά βοηθούν επίσης τα βακτήρια να σχηματίσουν βιοφίλμ — κολλώδη προστατευτικά στρώματα που δημιουργούν περιβάλλον χαμηλού οξυγόνου, επιτρέποντας στη νιτρογενάση να λειτουργήσει.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές προσδιόρισαν πώς τα φυτά παράγουν αυτές τις ουσίες και ποια γονίδια ρυθμίζουν την παραγωγή τους. Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία CRISPR, η ομάδα τροποποίησε το σιτάρι ώστε να παράγει υψηλότερα επίπεδα ενός φλαβονοειδούς που ονομάζεται απιγενίνη. Επειδή τα τροποποιημένα φυτά παράγουν περισσότερη απιγενίνη από όση χρειάζονται, η περίσσεια απελευθερώνεται από τις ρίζες στο έδαφος.
Τα πειράματα έδειξαν ότι η επιπλέον απιγενίνη ενθάρρυνε τα βακτήρια να δημιουργήσουν βιοφίλμ που προστατεύουν τη νιτρογενάση, επιτρέποντας τη δέσμευση αζώτου σε μορφή που μπορεί να αξιοποιήσει το φυτό. Σε περιβάλλον με ελάχιστη παροχή αζωτούχων λιπασμάτων, το τροποποιημένο σιτάρι παρήγαγε σημαντικά υψηλότερες αποδόσεις σε σχέση με τα φυτά ελέγχου.
Σημαντικά οικονομικά οφέλη για τους αγρότες
Οι αγρότες στις Ηνωμένες Πολιτείες δαπάνησαν σχεδόν 36 δισ. δολάρια για λιπάσματα το 2023, σύμφωνα με εκτιμήσεις του αμερικανικού Υπουργείου Γεωργίας. Ο Μπλούμγουαλντ σημειώνει ότι περίπου 500 εκατ. στρέμματα στη χώρα καλλιεργούνται με δημητριακά.
«Φανταστείτε να εξοικονομούσαμε μόλις το 10% των λιπασμάτων που χρησιμοποιούνται σε αυτή τη γη. Υπολογίζω συντηρητικά πως αυτό θα αντιστοιχούσε σε εξοικονόμηση άνω του ενός δισεκατομμυρίου δολαρίων ετησίως» κατέληξε ο ερευνητής.
Τα ευρήματα της μελέτης δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Plant Biotechnology Journal.
