دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، گیاهان گندمی تشکیل کرده‌اند که قادر به تشکیل کود خود می باشند، پیشرفتی که می‌تواند آلودگی هوا و آب جهانی را افت داده و هزینه‌های کشاورزی را کم کند.

به نقل از اس‌اف، این مطالعه توسط یک گروه تحقیقاتی به رهبری ادواردو بلوموالد، استاد برجسته گروه علوم گیاهی، انجام شده است. این گروه با منفعت گیری از ابزار ویرایش ژن کریسپر، تشکیل یکی از مواد شیمیایی طبیعی گیاه را افزایش دادند. هنگامی که ریشه‌های گندم این ترکیب اضافی را به خاک اطراف آزاد می‌کنند، به باکتری‌های خاصی پشتیبانی می‌کند که می‌توانند نیتروژن را از هوا به شکلی تبدیل کنند که گیاهان اطراف بتوانند آن را جذب کنند. این فرآیند به گفتن تثبیت نیتروژن شناخته می‌شود.

برای تعداد بسیاری از مناطق در حال گسترش، این پیشرفت می‌تواند حمایتجدیدی برای تشکیل قابل مطمعن محصولات کشاورزی اراعه دهد.

بلوم‌والد می‌گوید: در آفریقا، مردم از کود منفعت گیری نمی‌کنند چون هزینه آن را نمی توانند پرداخت کنند و مزارع کوچک می باشند و زیاد تر از ۶ تا هشت هکتار وسعت ندارند. این نوآوری در گندم بر پایه پیروزی قبلی این گروه در برنج بنا شده است و کارهای شبیهی برای گسترش این روش به دیگر محصولات غلات مهم در حال انجام است.

مشکل جهانی کود

گندم دومین غله پرمحصول جهان است و بیشترین سهم مصرف کودهای نیتروژنی، نزدیک به ۱۸ درصد از کل مصرف جهانی، را به خود تعلق می‌دهد. مطابق گزارش سازمان غذا و کشاورزی سازمان ملل متحد، در سال ۲۰۲۰ بیشتر از ۸۰۰ میلیون تُن کود در سراسر جهان تشکیل شده است.

گیاهان طبق معمول فقط ۳۰ تا ۵۰ درصد از کود نیتروژنی مورد منفعت گیری را جذب می‌کنند. باقیمانده آن زیاد تر به رودخانه‌ها و مناطق ساحلی سرازیر می‌شود و علتایجاد مناطق مرده خالی از اکسیژن می‌شود که به اکوسیستم‌های آبی صدمه می‌رساند. نیتروژن اضافی در خاک می‌تواند اکسید نیتروژن، یک گاز گلخانه‌ای قوی، تشکیل کند.

چرا گندم به استراتژی متغیری نیاز دارد؟

باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن، آنزیمی به نام نیتروژناز تشکیل می‌کنند که بعضی اوقات اوقات به علت انجام تثبیت نیتروژن، به گفتن تثبیت‌کننده نیز شناخته می‌شود. این آنزیم فقط در درون این باکتری‌ها و فقط در محیط‌های کم اکسیژن عمل می‌کند.

حبوباتی همانند لوبیا و نخود فرنگی به طور طبیعی گره‌های ریشه‌ای راه اندازی خواهند داد، ساختارهای تخصصی که شرایط افتاکسیژن مورد نیاز این باکتری‌ها را تشکیل می‌کنند.

گندم و زیاد تر محصولات دیگر فاقد این گره‌ها می باشند، به همین علت است که از کود نیتروژن مصنوعی به طور گسترده منفعت گیری می‌شود.

بلوم‌والد می‌گوید: دهه‌ها است که دانشمندان تلاش می‌کنند غلاتی را پرورش دهند که گره‌های ریشه فعال تشکیل کنند، یا غلات را با باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن کلونیزه کنند، اما پیروزی چندانی نداشته‌اند. ما از رویکرد متغیری منفعت گیری کردیم. ما گفتیم که مکان باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن مهم نیست، تا وقتی که نیتروژن تثبیت‌شده بتواند به گیاه برسد و گیاه بتواند از آن منفعت گیری کند.

چطور گروه دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، یک راه حل عملی اشکار کرد

محققان ۲۸۰۰ ماده شیمیایی را که به طور طبیعی توسط گیاهان ساخته خواهد شد، بازدید کردند و ۲۰ مورد را شناسایی کردند که می‌توانند باکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن را به راه اندازی بیوفیلم تشویق کنند. این بیوفیلم‌ها پوشش‌های چسبنده‌ای می باشند که به دور باکتری‌ها می‌پیچند و یک ریزمحیط کم‌اکسیژن مناسب برای فعالیت نیتروژناز تشکیل می‌کنند. سپس این گروه تحقیقاتی نحوه سنتز این ترکیبات توسط گیاهان را نقشه‌برداری کرده و ژن‌های دخیل در آن را شناسایی کردند.

با این اطلاعات، آنها از کریسپر برای تنظیم گیاهان گندم منفعت گیری کردند تا مقادیر بیشتری از یک ترکیب خاص، یک فلاون به نام آپیژنین، تشکیل کنند. از آنجا که گیاهان آپیژنین بیشتری نسبت به نیاز خود تشکیل می‌کنند، مازاد آن در خاک آزاد می‌شود. در آزمایش‌ها، این آپیژنین باکتری‌های خاک را تحریک کرد تا بیوفیلم‌های محافظ راه اندازی دهند و نیتروژناز را قادر سازد تا نیتروژن را به شکلی قابل منفعت گیری که گندم می‌تواند جذب کند، تثبیت کند. در شرایط افتکود نیتروژن، گندم اصلاح‌شده در قیاس با گیاهان معمول، کارکرد بالاتری نیز داشت.