1980ndatel otsis Howard-Yana Shapiro, kes on nüüd asutatud ettevõtte Mars juhataja põllumajandusametnik, uut tüüpi maisi. Ta viibis Oaxaca Mixsi rajoonis Lõuna-Mehhikos - piirkonnas, kus maisi (aka maisi) eellased esmakordselt arenesid, kui ta asus mõne kummalisema maisi all, mida eales nähtud. See polnud mitte ainult 16 kuni 20 jalga pikk, vaid Ameerika põldudel 12-suu pikkuste asjade kääbustamiseks, kuid küpseks kulus kuus kuni kaheksa kuud, mis on palju kauem kui tavalise maisi jaoks vajalik 3 kuud. Kuid see kasvas nende muljetavaldavate kõrgusteni, mida võib heas mõttes nimetada vaeseks mullaks ilma väetiseta. Kuid maisi kõige kummalisemaks osaks olid selle õhust juured - rohelised ja roosid, sõrmekujulised väljaulatuvad osad. maisi vars, mis tilgub selge siirupise geeliga.
Shapiro kahtlustas, et need limaskestad sõrmed võivad olla põllumajanduse Püha Graal. Ta uskus, et juured võimaldavad sellel ainulaadsel sordil Sierra Mixe, mida on kasvatatud sadade või isegi tuhandete aastate jooksul, toota oma lämmastikku, mis on põllukultuuride jaoks oluline toitaine ja mida tavaliselt kasutatakse väetisena eepilistes kogustes.
Idee tundus paljutõotav, kuid ilma DNA-tööriistadeta uurima, kuidas mais lämmastikku tekitas, leiti leiukohast. Ligi kaks aastakümmet hiljem, 2005. aastal, asus Davisi California ülikooli Alan B. Bennett koos Shapiro ja teiste teadlastega kasutama eesrindlikku tehnoloogiat, et uurida flegmilise maisi lämmastikku fikseerivaid omadusi, leides, et tõepoolest, limas elavad bakterid tõmbasid õhku lämmastikku, muutes selle selliseks, et mais võiks imada.
Nüüd, pärast üle kümne aasta väliseid uuringuid ja geneetilist analüüsi, on meeskond avaldanud oma töö ajakirjas PLOS Biology. Kui lämmastikku fikseerivat omadust saaks aretada tavaliseks maisiks, võimaldades sellel toota isegi osa oma lämmastikust, võib see vähendada põllukulusid, vähendada kasvuhoonegaaside heitkoguseid ja peatada järvedes, jõgedes ja ookean. Teisisõnu, see võib viia teise lämmastiku revolutsioonini.
Lämmastiku sünteetiline tootmine võib olla 20. sajandi suurim saavutus. Haber-Boschi protsessi ja selle täiustuste avastamine, milles lämmastik eemaldatakse õhust kõrge kuumuse ja rõhu all katalüsaatori juuresolekul, on viinud kolme eraldi Nobeli preemiale. Ja nad on hästi ära teeninud. Hinnanguliselt on saagikus saagikus aastatel 1908–2008 enam kui kahekordistunud, sünteetilise lämmastikväetise arvele langeb kuni pool sellest kasvust. Mõned teadlased on seostanud elanikkonna massilise kasvu viimase seitsmekümne aasta jooksul lämmastikväetiste suurema kasutamisega. Ilma selleta oleksime pidanud taluma peaaegu neli korda rohkem maad või olema miljardeid vähem inimesi maailmas.
Kuid kogu selle lämmastiku tootmisel on tagajärjed. Arvatakse, et väetise valmistamine Haber-Boschi protsessi kaudu kulutab 1–2 protsenti kogu maailma energiast, eraldades palju kasvuhoonegaase. Ja sünteetiline lämmastik peseb põlde korrapäraselt veeteedesse, põhjustades massilist vetikate õitsemist, mis imeb kogu hapniku, tappes kalad ja muud organismid. Nii palju lämmastikku läheb jõgedesse ja ojadesse, et maailma jõgede suudmetes on välja kujunenud suured surnud tsoonid, sealhulgas Mehhiko lahes üks, mis eelmisel aastal oli New Jersey suurune. Mark Sutton Suurbritannia ökoloogia- ja hüdroloogiakeskusest nimetab lämmastikku „reostuse ristiisaks“ - selle mõjusid on igal pool, kuid te ei näe süüdlast kunagi.
Teadlased siirdasid maisi isegi Wisconsini osariiki Madisonisse, leides, et see suutis ikkagi oma lämmastiku looduskeskkonnast välja toota. (Foto: Jean-Michel Ané) Kuid me ei saa lämmastikust lihtsalt loobuda, ilma et oleksime põllumajanduses olulist vähenemist näinud. Ehkki parem majandamis- ja põllumajandustava võib aidata seda veeteedest eemale hoida, pole need strateegiad piisavad lämmastiku ökoloogiliste probleemide lahendamiseks. Sellepärast on teadlased aastakümneid mõelnud, kas leidub viisi, kuidas aidata teraviljakultuuridel, nagu mais ja nisu, oma lämmastikku toota.
Idee pole nii kaugele jõudnud, kui see kõlab. Paljudel taimedel, eriti kaunviljadel, nagu sojaoad, maapähklid ja ristik, on sümbiootiline seos Rhizobium bakteritega, mis toodavad neile lämmastikku. Taimed kasvavad juursõlmedes, kus bakterid elavad, ja jõuavad taime suhkrutesse, muutes õhus oleva lämmastiku selliseks, mida taimed saavad kasutada. Kui leitakse sarnane sümbiootiline seos, mis töötab teraviljakultuurides nagu mais ja nisu, usuvad teadlased, et võime saasteaine kasutamist vähendada.
Sellepärast on lima mais nii tähtis ja miks veetsid Bennett ja tema meeskond kaheksa aastat bakterite ja geeli uurimist ja uuesti uurimist, et veenda end, et mais suutis tõepoolest toota oma lämmastikku. DNA sekveneerimise abil suutsid nad näidata lämmastiku fikseerimiseks limas sisalduvates geenides mikroobid ja demonstreerida geeli, mille maisi väljundid, mis on kõrge suhkrusisalduse ja madala hapnikusisaldusega, on ideaalselt kavandatud lämmastiku fikseerimise soodustamiseks. Viie erineva testi abil näitasid nad, et mikroobide toodetav lämmastik jõudis seejärel maisi sisse, pakkudes 30–80 protsenti taime vajadustest. Seejärel valmistasid nad lima sünteetilise versiooni ja külvasid selle koos mikroobidega, leides, et nemad tekitasid lämmastikku ka selles keskkonnas. Nad kasvatasid isegi Sierra Mixe'i Davises (Californias) ja Madisonis (Wisconsin), näidates, et see suudab oma spetsiaalse triki teha väljaspool oma koduturvast Mehhikos.
"See mehhanism on täiesti erinev sellest, mida kaunviljad kasutavad, " ütleb Bennett, lisades, et see võib esineda ka teistes kultuurides. „Kindlasti on mõeldav, et paljudes teraviljades on olemas sama tüüpi süsteemid. Näiteks sorgodel on õhust juured ja liim. Võib-olla on teistel maa all toimuvad peenemad mehhanismid, mis võiksid eksisteerida laiemalt. Nüüd, kui oleme teadlikud, saame neid otsida. ”
Kaasautor Jean Michel-Ane Madisoni Wisconsini ülikoolist nõustub, et see avastus avab igat tüüpi uusi võimalusi. “Maisi tehniline ettevalmistamine lämmastiku fikseerimiseks ja juure sõlmede moodustamiseks nagu kaunviljad on teadlaste unistus ja võitlus olnud aastakümneid. Selgub, et see mais töötas selle lämmastiku fikseerimise probleemi lahendamiseks välja täiesti erineva viisi. Tõenäoliselt alahindas teadusringkond lämmastiku fikseerimist teistes põllukultuurides, kuna tal on juure sõlmedest kinnisidee, ”öeldakse ta avalduses. "See mais näitas meile, et loodus suudab leida lahendusi mõnele probleemile kaugemale sellest, mida teadlased võiksid kunagi ette kujutada."
Selgub, et loodusel on varrukast veelgi rohkem lämmastikku tootvaid nippe, millega teadlased alles tegelevad. On veel mitmeid käimasolevaid projekte, mille eesmärk on saada teravilja- ja köögiviljakultuurid meile Haber-Boschingi heaks. Üks paljulubavamaid on taimedevahelistes ruumides elavate endofüütide ehk mikroorganismide, näiteks bakterite ja seente kasutamine. Washingtoni ülikooli teadlane Sharon Doty hakkas organismide vastu huvi tundma paarkümmend aastat tagasi. Ta uuris paju ja pappe, mis on esimeste puude hulgas, mis kasvavad häiritud maal pärast vulkaanipurset, üleujutusi või kivide langust. Need puud kasvasid jõekruusist välja ja mullas sisalduvale lämmastikule pääses peaaegu üldse. Nende vartest leidis Doty aga endofüüte, mis fikseerisid puude lämmastikku, ilma juure sõlmedeta. Sellest ajast alates on ta välja õmmelnud kümneid erinevaid endofüütide tüvesid, millest paljud aitavad taimi üllataval viisil. Mõni toodab lämmastikku või fosforit, teine on oluline toitaine, samas kui teised parandavad juurte kasvu ja mõned võimaldavad taimedel ellu jääda põua- või suure soolasisaldusega tingimustes.
"Seal on terve hulk mitmesuguseid mikroobisid, mis suudavad lämmastikku fikseerida, ja mitmesuguseid taimeliike, mida need mõjutavad, " ütleb ta. Tema katsed on näidanud, et mikroobid võivad kahekordistada pipra- ja tomatitaimede produktiivsust, parandada riisi kasvu ja anda põuakindluse puudele nagu Douglase kuusikud. Mõni lubab puudel ja taimedel isegi tööstuslikke saasteaineid imeda ja lagundada ning neid kasutatakse nüüd Superfundi saitide puhastamiseks. „Endofüütide kasutamise eeliseks on see, et see on tõesti suur grupp. Oleme leidnud tüvesid, mis töötavad riisi, maisi, tomatite, paprika ja muude põllumajandusele oluliste taimedega. ”
Tegelikult võivad endofüüdid selle põllumajandustootjate kätte saada pigem varem kui hiljem. Los Altos, Californias asuv IntrinsyxBio turustab mõnda Doty endofüüti. Teadusuuringute peaspetsialist John L. Freeman ütles, et antud intervjuus on ettevõte teel turule jõudmiseks valmis oleva tootega 2019. aastal. Eesmärk on tarnida taimedesse mitu endofüütide tüve, kõige tõenäolisemalt seemnete katmisega. Pärast nende bakterite asustamist taime sees peaksid nad välja pumpama umbes 25 protsenti vajalikust lämmastikust.
Teine biotehnoloogiaettevõte nimega Pivot Bio teatas hiljuti, et testib sarnast lahendust beetaversioonil, kasutades lämmastikku fikseerivaid mikroobe, mis kasvavad maisi juurestikus.
Äsja esilekerkinud sünteetilise bioloogia valdkond on ka lämmastikuprobleemi lahendamine. Bostonis asuv Joyn Bio, mis loodi eelmise aasta septembris, on biotehnoloogiaettevõtte Bayeri ja Ginkgo Bioworksi kaasprojekt, millel on kogemusi toiduaine- ja maitseainetööstusele kohandatud pärmide ja bakterite loomisel, teiste “disainmikroobide” projektide hulgas. Praegu kammib Joyn Bayeri raamatukogu kaudu üle 100 000 mikroobi, et leida peremeesorganism, mis suudaks taimed edukalt koloniseerida, sarnaselt Doty endofüütidega. Siis loodavad nad kohandada seda peremeesraami geenidega, mis võimaldavad lämmastikku kinnitada. "Selle asemel, et loota loodusele ja leida võluv mikroob, mida meie arvates ei eksisteeri, tahame leida oma peremeesmikroobi ja seda peenhäälestada, et teha seda, mida me vajame maisi või nisu jaoks, " ütleb Joyni tegevjuht Michael Miille .
Mängus on ka Gates Foundation, kes toetab projekte, mille eesmärk on anda teraviljale liblikõieliste lämmastiku fikseerimise võime. Veel teised meeskonnad loodavad, et ülelaadimisega kvantarvutuste tulek avab uusi keemiavaldkondi ja tuvastab uued katalüsaatorid, mis muudavad Haber-Boschi protsessi palju tõhusamaks.
Ehkki on ebatõenäoline, et üks lahendus üksi suudab asendada 100% inimeste kasutatavast sünteetilisest väetisest, võivad need projektid koos lämmastiku saastamisel tõsiselt mõjustada. Bennett loodab, et Sierra Mixe ja see, mida tema meeskond on sellest õppinud, saab osaks lämmastikurevolutsioonist, ehkki ta tunnistab, et see on väga pikk hüpe enne, kui tema kõhnad maisi sõrmed hakkavad tavalistes kultuurides lämmastikku tootma. Nüüd soovib ta välja selgitada õhust juured tootvad geenid ja kinnitada, millised tuhandetest lihas avastatud mikroobidest lämmastikku tegelikult kinnitavad.
"Ma arvan, et see, mida me teeme, võiks neid [endoüfüütide ja sünteetilise bioloogia] lähenemisviise täiendada, " ütleb ta. "Arvan, et näeme palju erinevaid strateegiaid ja 5–10 aasta pärast ilmub midagi, mis mõjutab seda, kuidas mais saab lämmastikku."
Toimetaja märkus 18/18/18: Selle artikli varasemas mustandis on John L. Freemani nimi valesti kirjutatud ja tema praegune ettevõte valesti määratletud.
