På 1980-tallet var Howard-Yana Shapiro, nå sjef for landbrukssjef i Mars, Incorporated, på jakt etter nye typer mais. Han var i Mixes-distriktet i Oaxaca i det sørlige Mexico, området der forløperne til mais (alias korn) først utviklet seg, da han fant noe av det merkeligste mais som noen gang er sett. Ikke bare var den 16 til 20 fot høy, og dvergde de 12 fot store tingene i amerikanske felt, det tok seks til åtte måneder å modnes, langt lenger enn de tre månedene som trengs for konvensjonell mais. Likevel vokste den til de imponerende høydene i det som velgjørende kan kalles dårlig jord, uten bruk av gjødsel. Men den merkeligste delen av kornet var dens luft røtter - grønne og rosefargede, fingerlignende fremspring som stikker ut av maisstilk, dryppende med en klar, sirupaktig gel.
Shapiro mistenkte at de slimete fingrene kan være den hellige gral i jordbruket. Han mente at røttene tillot denne unike kornsorten, kalt Sierra Mixe og lokalt avlet gjennom hundrevis eller til og med tusenvis av år, til å produsere sitt eget nitrogen, et essensielt næringsstoff for avlinger som vanligvis brukes som gjødsel i episke mengder.
Ideen virket lovende, men uten DNA-verktøy for å undersøke detaljene i hvordan kornet laget nitrogen, ble funnet hyllet. Nesten to tiår senere, i 2005, begynte Alan B. Bennett fra University of California, Davis - sammen med Shapiro og andre forskere - å bruke banebrytende teknologi for å undersøke nitrogenfikseringsegenskapene til den flegmiske kornet, og fant ut at bakterier som levde i slimet, trakk nitrogen fra luften og overførte det til en form kornet kunne absorbere.
Nå, etter over et tiår med feltforskning og genetisk analyse, har teamet publisert arbeidet sitt i tidsskriftet PLOS Biology. Hvis den nitrogenfikserende egenskapen kunne avles til konvensjonell mais, slik at den produserer til og med en del av sitt eget nitrogen, kan det redusere kostnadene for oppdrett, redusere klimagassutslipp og stanse et av de viktigste miljøgiftene i innsjøer, elver og elver. hav. Med andre ord, det kan føre til en andre nitrogenrevolusjon.
Den syntetiske produksjonen av nitrogen kan være den største bragden på 1900-tallet. Oppdagelsen av Haber-Bosch-prosessen og dens forbedringer, hvor nitrogen blir strippet ut av luften under høy varme og trykk i nærvær av en katalysator, har ført til tre separate Nobelpriser. Og de er vel fortjent. Det anslås at avlingene gir mer enn doblet mellom 1908 og 2008, med syntetisk nitrogengjødsel som er ansvarlig for opptil halvparten av veksten. Noen forskere har knyttet den enorme veksten i menneskelig befolkning de siste sytti årene til økt bruk av nitrogengjødsel. Uten det ville vi måtte dyrke nesten fire ganger så mye jord eller ha milliarder av færre mennesker i verden.
Men å produsere alt det nitrogen får konsekvenser. Det anslås at å lage gjødsel via Haber-Bosch-prosessen bruker mellom 1 og 2 prosent av verdens energi, og som slipper ut masse klimagasser. Og syntetisk nitrogen vasker rutinemessig felt i vannveiene, noe som fører til massive algeoppblomstringer som suger opp alt oksygen og dreper fisk og andre organismer. Så mye nitrogen går i elver og bekker at store døde soner har utviklet seg ved munningen av verdens elver, inkludert en i Mexicogulfen som i fjor var på størrelse med New Jersey. Mark Sutton, Storbritannias senter for økologi og hydrologi, kaller nitrogen "forurensens gudfar" - effektene er overalt, men du ser aldri den skyldige.
Forskere transplanterte til og med kornet til Madison, Wisconsin, og fant ut at det fremdeles var i stand til å lage sitt eget nitrogen ut av sitt opprinnelige miljø. (Foto: Jean-Michel Ané) Men vi kan ikke bare slutte med nitrogen uten å se store reduksjoner i landbruket. Selv om bedre styrings- og oppdrettspraksis kan bidra til å holde den ute av vannveier, er ikke disse strategiene ikke nok til å løse nitrogenens økologiske problemer. Derfor har forskere i flere tiår lurt på om det var en måte å hjelpe kornavlinger som mais og hvete til å produsere sitt eget nitrogen.
Ideen er ikke så langsiktig som den høres ut. Mange planter, særlig belgfrukter som soyabønner, peanøtter og kløver, har et symbiotisk forhold til Rhizobium-bakterier, som produserer nitrogen for dem. Plantene dyrker rotknuter der bakteriene tar bolig og nipper til plantesukker mens de omdanner nitrogen i luften til en form plantene kan bruke. Hvis det kan bli funnet et lignende symbiotisk forhold som fungerer i kornavlinger som mais og hvete, mener forskere at vi kan redusere bruken av miljøgiften.
Derfor er slimkornet så viktig, og hvorfor Bennett og teamet hans brukte åtte år på å studere og studere bakteriene og gelen for å overbevise seg om at kornet faktisk var i stand til å produsere sitt eget nitrogen. Ved å bruke DNA-sekvensering klarte de å vise mikrober i de slam som ble båret gener for fiksering av nitrogen og demonstrerte gelen maisutskillelsene, som er høyt sukker og lite oksygen, er perfekt designet for å oppmuntre til nitrogenfiksering. Ved å bruke fem forskjellige tester viste de at nitrogenet produsert av mikroberne deretter tok seg inn i kornet, og ga 30 til 80 prosent av plantens behov. De produserte deretter en syntetisk versjon av slimet og så den med mikrober, og fant ut at de produserte nitrogen også i det miljøet. De dyrket til og med Sierra Mixe i Davis, California, og Madison, Wisconsin, og viste at den kunne utføre sitt spesielle triks utenfor hjemmet i Mexico.
"Denne mekanismen er helt forskjellig fra hva belgfrukter bruker, " sier Bennett og legger til at den også kan finnes i andre avlinger. ”Det er absolutt tenkelig at lignende typer systemer finnes i mange kornprodukter. Sorghum har for eksempel antennerøtter og slimete. Kanskje andre har mer subtile mekanismer som forekommer under jorden som kunne eksistere mer utbredt. Nå som vi er klar over det, kan vi se etter dem. ”
Medforfatter Jean Michel-Ane fra University of Wisconsin, Madison, er enig i at denne oppdagelsen åpner for alle typer nye muligheter. “Å utvikle korn for å fikse nitrogen og danne rotknuter som belgfrukter har vært en drøm og kamp for forskere i flere tiår. Det viser seg at dette kornet utviklet en helt annen måte å løse dette nitrogenfikseringsproblemet. Det vitenskapelige samfunnet undervurderte sannsynligvis nitrogenfiksering i andre avlinger på grunn av sin besettelse med rotknuter, sier han i en uttalelse. "Dette kornet viste oss at naturen kan finne løsninger på noen problemer langt utover det forskerne noen gang kunne forestille seg."
Det viser seg at naturen har enda flere nitrogenproduserende triks opp ermet som forskere bare får tak i. Det er flere andre pågående prosjekter som tar sikte på å få korn- og grønnsaksavlinger til å gjøre Haber-Bosching for oss. Noe av det mest lovende er bruken av endofytter, eller mikroorganismer som bakterier og sopp som lever i de intercellulære rommene til planter. University of Washington-forsker Sharon Doty ble interessert i organismer for et par tiår siden. Hun studerte selje- og poppeltrær, som er blant de første trærne som vokste på forstyrret land etter hendelser som et vulkanutbrudd, flom eller steinfall. Disse trærne vokste ut av elvegrus, med knapt tilgang på nitrogen i jorda. Inne i stilkene deres fant Doty imidlertid endofytter som fikset nitrogenet for trærne, ingen rotknuter nødvendige. Siden den gang har hun drillet dusinvis av forskjellige endofyttstammer, hvorav mange hjelper planter på overraskende måter. Noen produserer nitrogen eller fosfor, et annet viktig næringsstoff, mens andre forbedrer rotveksten og noen lar planter overleve i tørke eller høysalt.
"Det [er] en hel rekke forskjellige mikrober som kan fikse nitrogen og et bredt spekter av plantearter påvirket av dem, " sier hun. Hennes tester har vist at mikroberne kan doble produktiviteten til pepper- og tomatplanter, forbedre veksten i ris og gi tørke toleranse for trær som Douglas-gran. Noen tillater til og med at trær og planter suger opp og ødelegger industrielle forurensninger, og brukes nå til å rydde opp i Superfund-lokaliteter. Fordelen med å bruke endofytter er at det er en veldig stor gruppe. Vi har funnet stammer som fungerer med ris, mais, tomater, paprika og andre landbruksviktige avlingsplanter. ”
Faktisk kan endofytter gjøre det i bøndenes hender før snarere enn senere. Los Altos, California-baserte IntrinsyxBio, kommersialiserer noen av Dotys endofytter. Chief Science Officer John L. Freeman sier i et intervju at selskapet er i rute for å ha et produkt klart for markedet i 2019. Målet er å levere flere stammer av endofytter til planter, mest sannsynlig ved å belegge frøene. Etter at disse bakteriene har bosatt seg i planten, bør de pumpe ut omtrent 25 prosent av nitrogenet den trenger.
Et annet bioteknologiselskap, kalt Pivot Bio, kunngjorde nylig at det beta-tester en lignende løsning, ved bruk av nitrogenfikserende mikrober som vokser i rotsystemene til mais.
Det nyoppståtte feltet syntetisk biologi tar også en sprekk i nitrogenproblemet. Boston-baserte Joyn Bio, som ble dannet i september i fjor, er et co-prosjekt mellom Bayer og Ginkgo Bioworks, et bioteknologisk selskap med erfaring med å lage tilpassede gjær og bakterier for mat- og smakstilsetningsindustrien, blant andre “designer microbe” -prosjekter. Joyn kjemper for øyeblikket gjennom Bayers bibliotek på over 100 000 mikrober for å finne en vert som med suksess kan kolonisere planter, i likhet med Dotys endofytter. Da håper de å finpusse det "vertschassiset" med gener som lar det fikse nitrogen. "I stedet for å stole på naturen og finne en magisk mikrobe, som vi ikke tror eksisterer, ønsker vi å finne vår vertsmikrob og finjustere den til å gjøre det vi trenger for å gjøre for mais eller hvete, " sier Joyn CEO Michael Miille .
Gates Foundation er også med på spillet, og støtter prosjekter som forsøker å formidle belgfrukternes nitrogenfikseringsevner til korn. Atter andre lag håper at fremkomsten av superladet kvanteberegning vil åpne for nye kjemiområder og identifisere nye katalysatorer som vil gjøre Haber-Bosch-prosessen mye mer effektiv.
Selv om det er lite sannsynlig at en løsning alene vil kunne erstatte 100 prosent av den syntetiske gjødselen som mennesker bruker, kan disse prosjektene kanskje gjøre en alvorlig utslipp av nitrogenforurensning. Bennett håper at Sierra Mixe og det teamet hans har lært av det, vil være en del av nitrogenrevolusjonen, selv om han innrømmer at det er et veldig langt sprang før de slanke maisfingrene begynner å produsere nitrogen i konvensjonelle avlinger. Han ønsker nå å identifisere genene som produserer antennerøttene og slå fast hvilke av de tusenvis av mikrober som er oppdaget i slimhinnen som faktisk fikser nitrogenet.
"Jeg tror at det vi gjør, kan komplementere til de [endoyphte og syntetiske biologiske] tilnærmingene, " sier han. "Jeg tror vi vil se mange forskjellige strategier, og om 5 til 10 år vil det dukke opp noe som påvirker hvordan korn får nitrogen."
Redaktørens note 8/15/18: Et tidligere utkast til denne artikkelen stavet feil på navnet til John L. Freeman og feilidentifiserte hans nåværende selskap.
