Przełomowe badania przedstawione w czasopiśmie „Scientific Reports” dowodzą, że mikroorganizmy modyfikowane genetycznie oferują rolnikom nowe źródło azotu

BERKELEY, Kalifornia, 14 listopada 2024 r. /PRNewswire/ -- Recenzowane badanie naukowe opublikowane na łamach Scientific Reports opisuje nową technologię, która może zrewolucjonizować stuletnie podejście do kwestii dostarczania azotu do upraw. Badanie przeprowadzone we współpracy naukowców z University of Wisconsin-Madison, Purdue University i Pivot Bio, wiodącej firmy zajmującej się zrównoważonym rolnictwem, dostarczyło bezprecedensowych dowodów na to, w jaki sposób modyfikacja genetyczna zwiększa zdolność drobnoustrojów do wiązania azotu atmosferycznego i przenoszenia go do upraw zbóż.

Korzystając ze znakowanego izotopowo azotu, naukowcy prześledzili sposób, w jaki azot z powietrza przenika do chlorofilu w liściach kukurydzy. W ten sposób uzyskano dowody na wiązanie azotu z powietrza przez mikroorganizmy modyfikowane genetycznie. Badania terenowe wykazały ponadto, że mikroorganizmy te mogą wiązać i dostarczać azot w ilościach porównywalnych do 40 funtów syntetycznego nawozu azotowego przy analogicznej wielkości plonów.

Poprawa skuteczności nawozów azotowych od dawna stanowi wyzwanie. Jak wyjaśnia dr Bruno Basso, profesor nauk o środowisku na Michigan State University, który nie był zaangażowany w realizację badania: „Podstawową kwestią jest to, że układ gleba-roślina-atmosfera jest niezwykle złożony”. Nieprzewidywalność warunków pogodowych sprawia, że trudno jest dopasować podaż składników odżywczych do zapotrzebowania roślin i dokładnie określić, ile azotu będzie wymagać uprawa i czy składnik ten pozostanie w glebie.

„Moje laboratorium badawcze od lat wspiera rolników, wykorzystując zaawansowaną technologię wykrywania i modele komputerowe, aby lepiej zrozumieć charakterystykę pól uprawnych i efektywniej wykorzystywać nawozy azotowe w celu zwiększenia zysków i zmniejszenia oddziaływania na środowisko, w tym straty składników odżywczych do wód gruntowych i emisje gazów cieplarnianych do atmosfery” - dodał Basso.

Bakterie diazotroficzne, szczególny rodzaj bakterii występujących w przyrodzie, mają wyjątkową zdolność przekształcania azotu atmosferycznego w amon, budulec aminokwasów i białek. Proces ten, powszechnie znany jako biologiczne wiązanie azotu (BNF), był główną formą odżywiania upraw azotem przez tysiące lat przed wynalezieniem syntetycznych nawozów azotowych.

„Rodzime bakterie diazotroficzne w glebie tracą zdolność do przeprowadzania procesu BNF, gdy są narażone na wysokie stężenia azotu w glebie przez dłuższy czas. Jest to ewolucyjna reakcja mająca na celu oszczędzanie energii, ponieważ BNF to bardzo energochłonny proces - wyjaśnia dr Jean-Michel Ané, profesor bakteriologii oraz nauk o roślinach i agroekosystemach na Uniwersytecie Wisconsin-Madison, współautor badania. - Musimy skłonić te bakterie do utrzymania wysokiego poziomu BNF w środowiskach o wysokiej zawartości azotu, takich jak syntetycznie nawożone gleby”.

Naukowcy z Pivot Bio opracowali mikroorganizmy modyfikowane genetycznie przy pomocy metod nietransgenicznych, aby umożliwić bakteriom diazotroficznym dalsze dostarczanie azotu do upraw, nawet w warunkach wysokiego poziomu azotu.

„Dzięki modyfikacji genowej, sprawiliśmy, że mikroorganizmy nie wykrywają obecności azotu w ich otoczeniu i nadal wiążą amon, dostarczając go bezpośrednio do systemu korzeniowego - powiedział dr Karsten Temme, dyrektor ds. innowacji i współzałożyciel Pivot Bio oraz współautor artykułu. - Wprowadziliśmy również inne zmiany, aby zapewnić, że bakterie mogą przenosić związany azot do upraw, zamiast go zatrzymywać”.

Artykuł przedstawia dowody na to, że proces ten zachodzi w laboratorium i na polach testowych. Jest to również pierwszy recenzowany artykuł dotyczący PROVEN® 40 - komercyjnego produktu drugiej generacji firmy Pivot Bio, przeznaczonego dla upraw kukurydzy, zawierającego modyfikowane genetycznie mikroorganizmy wiążące azot.

„Nawóz azotowy jest prawdopodobnie najważniejszym wynalazkiem minionego stulecia i będzie miał zasadnicze znaczenie dla rozwoju świata i bezpieczeństwa żywnościowego w niedalekiej przyszłości. Wierzymy jednak, że można go lepiej wykorzystać - powiedział dr Temme. - Pivot Bio koncentruje się na poprawie wydajności rolnictwa poprzez zwiększenie wydajności azotu za pomocą naszych modyfikowanych genetycznie mikroorganizmów i zmniejszenie strat nawozów syntetycznych do środowiska”.

W ramach działań terenowych naukowcy wykorzystali różnorodne eksperymenty izotopowe, aby ponownie zademonstrować wiązanie azotu, tym razem w rzeczywistych warunkach, i określić ilościowo poziomy azotu w roślinie. Zebrali również setki próbek od rolników, którzy zmniejszyli dawkę nawozu azotowego o 35 do 40 funtów azotu na akr, zastępując go wyrobem PROVEN 40 firmy Pivot Bio. Naukowcy stwierdzili, że rośliny, w uprawie których zastosowano PROVEN 40, miały średnio wyższy poziom azotu na początku sezonu i nie miało to negatywnego wpływu na wielkość plonów mimo użycia mniejszej ilości nawozów syntetycznych.

„Bardzo trudno jest śledzić azot, gdy przepływa się z powietrza do mikroorganizmu, a następnie do wnętrza rośliny. Opieramy się na znakowaniu izotopowym atomów azotu pochodzących z powietrza i porównujemy je z tymi znajdującymi się w glebie” - wyjaśnia dr Ané.

Dzięki tym pomiarom naukowcy wykryli znakowany izotopowo azot w chlorofilu liści kukurydzy w warunkach laboratoryjnych, co świadczy o tym, że mikroorganizmy dostarczyły ten azot roślinie.

„Szeroko zakrojone badania są obiecujące, ponieważ dowodzą, że rolnicy mogą zacząć ograniczać ilość stosowanych nawozów azotowych bez uszczerbku dla wydajności - jest to korzystne zarówno dla rolnika, jak i dla środowiska - powiedział dr Temme. - To niezwykle ekscytujące odkrycie, ponieważ technologia ta jest wysoce skalowalna. Nasze produkty zostały dotąd zastosowane na ponad 13 milionach akrów w USA od czasu ich komercyjnego wprowadzenia na rynek pięć lat temu, co przekłada się na wymierny wpływ”.

Dr Basso zgadza się z tym stwierdzeniem.

„Jeśli ta technologia będzie nadal ulepszana i pozwoli dostarczać większą ilość azotu do upraw, a badania wykażą, że przekłada się to na zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska i ogólnego śladu węglowego w rolnictwie, może to być przełom w zarządzaniu azotem. Im częściej zastępujemy nawozy syntetyczne bardziej wydajnymi i zrównoważonymi źródłami azotu w celu wspierania plonów, tym lepiej dla rolników, społeczności i środowiska”.

Pełny artykuł można znaleźć w czasopiśmie Scientific Reports. Założone w 2011 r. czasopismo jest ogólnodostępnym czasopismem z oferty Nature, publikującym warte uwagi, oryginalne badania z zakresu nauk przyrodniczych i klinicznych, znanym z rygorystycznego procesu recenzenckiego.

Pivot Bio

Pivot Bio to wiodąca firma działająca w obszarze zrównoważonego rolnictwa, dostarczająca rolnikom opatentowane technologie odżywiania roślin, które wykorzystują potęgę natury w celu zapewnienia niezawodnej i produktywnej uprawy roślin jadalnych, które są niezbędne światu w obliczu rosnącej niestabilności. Produkty firmy, które są obecnie dostępne w Ameryce Północnej, a wkrótce także w Brazylii, stanowią przełomową innowację. Należą one do najbardziej obiecujących rozwiązań klimatycznych w branży. Azot oferowany przez firmę jest odporny na warunki atmosferyczne, bezpieczniejszy w stosowaniu i nie wypłukuje ani nie przyczynia się do emisji podtlenku azotu. Firma Pivot Bio została trzykrotnie wyróżniona przez magazyn „Time” na corocznej liście najlepszych wynalazków; przez Fast Company na listach World Changing Ideas i World's 50 Most Innovative Companies; przez CNBC na liście Disruptor 50 prywatnych przedsiębiorstw; przez Fortune na liście Impact 20 startupów napędzających dobrostan społeczny; oraz przez MIT Tech Review jako jedna z 15 firm zajmujących się technologiami klimatycznymi, które warto obserwować. Więcej informacji można znaleźć na stronie PivotBio.com.

Zdjęcie - https://mma.prnewswire.com/media/2556892/Pivot_Bio_Inc.jpg

Źródło: Pivot Bio, Inc

Źródło informacji: PR Newswire