În deceniile următoare, omenirea va trebui să hrănească miliarde de oameni în plus pe o planetă aflată sub presiune. valuri de căldură extreme, secete intense și soluri degradateAvând în vedere acest scenariu, modul în care cultivăm și înțelegem plantele se schimbă rapid, iar una dintre cele mai fascinante linii de cercetare este cea a ceea ce sunt numite colocvial „plante care respiră azot”.
În spatele acestei idei uimitoare se află o provocare gigantică: obținerea unor culturi capabile să... valorifică azotul din aer și reduc dependența de îngrășămintele chimiceDeși se adaptează la o climă mai caldă, mai uscată și mai variabilă, centre de top precum Centrul pentru Biotehnologia Plantelor și Genomică (CBGP) sunt deja pe deplin angajate în această provocare, combinând biotehnologia, ecologia și agricultura durabilă pentru a susține producția de alimente într-o lume în continuă schimbare.
De ce este azotul atât de important pentru plante?
Poate suna exagerat, dar fără azot nu ar exista viață așa cum o știm, deoarece acest element este esențial pentru formarea plantelor. proteine, enzime și pigmenți necesari fotosintezeiFără o sursă adecvată de azot, o cultură nu poate crește bine, nu poate produce biomasă sau nu poate oferi randamente acceptabile.
Deși aerul pe care îl respirăm este alcătuit din aproximativ 78% azot gazos (N₂)Plantele nu îl pot utiliza direct. Azotul atmosferic este foarte stabil, iar majoritatea ființelor vii nu dispun de instrumentele biochimice necesare pentru a descompune această moleculă și a o transforma în compuși utilizabili precum amoniul sau nitratul.
În condiții naturale, plantele obțin azot în principal din sol, sub formă de ioni de nitrat (NO₃⁻) și amoniu (NH₄⁺)Acești nutrienți provin din descompunerea materiei organice sau din procesele de fixare biologică efectuate de microorganisme. Când solul este sărac în azot, plantele suferă de cloroză, cresc prost, iar productivitatea lor scade vertiginos.
Pentru a compensa această limitare, agricultura modernă s-a bazat pe îngrășăminte sintetice care furnizează cantități mari de azot. Problema este că modelul a devenit nesustenabil din cauza consumului ridicat de energie, a amprentei de carbon și a poluării a solului, apei și atmosferei asociate cu utilizarea excesivă a îngrășămintelor chimice.
O mare parte din cercetările actuale se concentrează pe înțelegerea și o mai bună valorificare a strategiilor naturale prin care unele organisme și unele asociații plantă-microb sunt capabile să fixarea azotului atmosferic și punerea lui la dispoziția ecosistemelor.
Fixarea biologică a azotului: trucul bacteriilor
În timp ce plantele nu pot folosi azot gazos direct, anumite bacterii pot, datorită unui o enzimă extrem de specializată numită nitrogenazăAceastă proteină este capabilă să descompună N₂ atmosferic și să îl transforme în compuși azotați care, în timp, devin parte a lanțului trofic.
Aceste bacterii fixatoare de azot se găsesc atât în stare liberă în sol, cât și în strânsă asociere cu rădăcinile anumitor specii de plante. Unele dintre ele se stabilesc relații simbiotice foarte strânse cu plantele, trăind în interiorul unor structuri speciale care se formează în rădăcini și permit un schimb de resurse foarte fin reglat.
În așa-numitele plante simbiotice fixatoare de azot, planta găzduiește bacteria și îi furnizează zaharuri obținute prin fotosinteză, în timp ce microorganismul îi întoarce favoarea. furnizarea de azot „nou” din atmosferăAcest schimb este atât de eficient încât poate acoperi o mare parte din nevoile culturii și poate îmbogăți solul pentru viitoarele plante.
Când aceste plante asociate cu bacteriile își termină ciclul de viață și rămășițele lor sunt încorporate în sol, azotul pe care l-au acumulat în țesuturi este eliberat printr-un proces cunoscut sub numele de mineralizarea azotuluiMateria organică se descompune, iar azotul organic se transformă în amoniu și nitrat, forme pe care alte plante le pot absorbi cu ușurință.
Astfel, comunitățile de plante care includ fixatori de azot joacă un rol crucial în fertilitatea naturală a multor ecosisteme și sisteme agricolereducând nevoia de a furniza o cantitate atât mare de îngrășământ extern.
Plante care „respiră” azot: leguminoase, noduli și simbioză
Cel mai cunoscut grup de plante asociat cu bacteriile fixatoare de azot este cel al leguminoaselor, o familie imensă care include culturi de zi cu zi, cum ar fi mazăre, fasole, linte, năut, fasole lată sau trifoiAceste specii au dezvoltat, de-a lungul evoluției, capacitatea de a forma noduli pe rădăcinile lor pentru a oferi adăpost anumitor bacterii.
În această relație, planta emite semnale chimice în zona radiculară care atrag anumite bacterii din sol capabile să fixeze azotul. Odată ce contactul se stabilește, rădăcina începe să se formeze. structuri specializate numite nodulicare acționează ca niște „reactoare biologice” mici și protejate, unde bacteriile trăiesc și lucrează în condiții adecvate.
În interiorul acestor noduli, bacteriile fixează azotul atmosferic și îl transformă în compuși azotați care intră în plantă, în timp ce planta trimite zaharuri și alți compuși bacteriilor pentru a le menține active. Deși aceste microorganisme nu efectuează fotosinteza, ele depind de energia chimică generată de plantă datorită luminii solare.
Rezultatul practic este că cultura obține o sursă continuă de azot fără a avea nevoie de atât de multe îngrășăminte externe, iar o parte din acest azot va rămâne în sol atunci când planta moare sau când resturile vegetale sunt încorporate prin practici agricole. De fapt, Descompunerea resturilor de leguminoase îmbogățește semnificativ conținutul de azot al solului.
Acest mecanism explică de ce leguminoasele sunt adesea folosite în rotațiile culturilor sau ca îngrășăminte verzi: ele nu numai că produc hrană, ci ajută și la pentru a îmbunătăți fertilitatea parcelei și pentru a sprijini sisteme agricole mai sustenabile pe termen mediu si lung.
Distribuția și diversitatea plantelor fixatoare de azot
Rolul ecologic al plantelor asociate cu bacteriile fixatoare de azot este atât de important încât mai multe echipe științifice au studiat în detaliu distribuția lor la scară largă. În Statele Unite, cercetători din diverse centre, cum ar fi Muzeul de Istorie Naturală din Florida și universitățile din Louisiana și MississippiEi au analizat înregistrările speciilor native și invazive din zeci de locații pentru a înțelege mai bine acest model.
La prima vedere, s-ar putea crede că în solurile sărace în azot ar trebui să existe o abundență și o diversitate mai mare a plantelor fixatoare de solîntrucât avantajul său competitiv ar fi mai mare în mediile limitate de acest nutrient. Totuși, o analiză detaliată nuanță semnificativ această idee aparent logică.
Când au comparat diferite regiuni, cercetătorii au observat că numărul plantelor fixatoare de azot a avut tendința de a creșterea în zonele cu mai puțin azot disponibil în solAcest lucru se potrivește cu ipoteza clasică. Dar au observat și că, pe măsură ce mediile deveneau mai uscate, prezența generală a acestor plante a scăzut.
Cea mai frapantă constatare a fost că, atunci când au analizat diversitatea fixatorilor nativi de azot, au detectat un model diferit: Diversitatea speciilor native fixatoare de sol a crescut remarcabil în regiuni arideindiferent de cantitatea de azot prezentă în sol. Adică, acolo unde condițiile de apă sunt mai dure, gama de plante native fixatoare de azot poate fi foarte mare.
Aceste rezultate arată că, la scară largă, distribuția plantelor care găzduiesc bacterii fixatoare de azot depinde nu numai de azotul din sol, ci de o combinație complexă de factori, cum ar fi disponibilitatea apei, istoria evoluției și dinamica comunităților de planteÎnțelegerea acestor modele este esențială pentru proiectarea unor sisteme agricole mai potrivite fiecărei regiuni.
Rolul CBGP: biotehnologia vegetală în contextul schimbărilor climatice
În timp ce se fac progrese în înțelegerea ecologică a plantelor fixatoare de rădăcini, centre de cercetare precum... Centrul pentru Biotehnologie și Genomică a Plantelor (CBGP), legate de Universitatea Politehnică din Madrid, se concentrează pe un alt front: adaptarea culturilor la climatul extrem pe care îl experimentăm deja și care se va intensifica în următoarele decenii.
Previziunile indică faptul că până la mijlocul secolului, aproximativ 9.700 milioane de oameni pe o planetă mai fierbinte, mai uscată și supusă unor fenomene meteorologice extreme mult mai frecvente. Anul 2024 a fost deja unul dintre cei mai fierbinți din istorie, iar în Europa zeci de mii de decese au fost legate de valurile de căldură, Spania fiind una dintre țările cele mai afectate.
Având în vedere acest scenariu, la CBGP studiază într-un mod cuprinzător cum cresc plantele, cum interacționează cu microorganismele din mediul lor și cum răspund acestea la schimbările de mediu, cum ar fi creșterea temperaturii, seceta prelungită sau salinizarea solurilor agricole.
Unul dintre principalele obiective ale centrului este de a dezvolta noi soiuri de culturi sau de a selecta dintre cele existente pe cele capabile de menține randamente acceptabile în condiții de stres ambientalAceasta implică nu doar tolerarea condițiilor adverse, ci și realizarea acestui lucru fără a depinde atât de mult de inputuri externe, cum ar fi îngrășămintele și apa.
Pentru a realiza acest lucru, cercetătorii analizează mecanismele moleculare care permit anumitor plante să reziste mai bine stresului din mediu. Ei identifică proteine de apărare, căi de semnalizare și gene cheie care sunt activate în condiții extreme și folosesc aceste informații pentru a genera ceea ce ei numesc „dovezi de concept”.
În aceste teste, ei creează plante transgenice care acumulează anumite proteine sau activează mecanisme specifice de toleranță, pentru a verifica dacă acestea își îmbunătățesc efectiv performanța în condiții de secetă, căldură sau salinitate. În acest fel, Ei validează experimental care strategii sunt cele mai eficiente. înainte de a lua în considerare o aplicație la scară largă.
Culturi mai rezistente: roșii, brassicacee și securitatea alimentară
Unul dintre rezultatele remarcabile ale acestei abordări a fost dezvoltarea plante de tomate cu toleranță ridicată la sareAceasta este o problemă din ce în ce mai frecventă în zonele agricole unde irigațiile și evaporarea intensă concentrează sărurile în sol. Echipa CBGP a dezvoltat soiuri transgenice care sunt mai rezistente la aceste niveluri de sare.
Aceste roșii rezistente au dat deja naștere unei Cerere de brevet europeanIdeea este de a extinde tehnologia la alte culturi deosebit de sensibile la salinitate, cum ar fi mazărea, fasolea, porumbul sau căpșunile. Dacă va avea succes, acest lucru ar reprezenta un avantaj uriaș în zonele în care apa de irigații are o calitate limitată sau solurile au fost degradate.
În același timp, grupul lucrează la transferul acestor progrese la așa-numitele brassicacee, o familie de plante care include varză, broccoli și alte legume esențiale în dietă. Creșterea rezilienței acestor legume de bază ar însemna protejarea unei părți foarte importante a securității alimentare într-un mediu climatic incert.
Totuși, nu este atât de simplu ca introducerea proteinelor de apărare și atât. Multe dintre aceste proteine aparțin... familii care conțin și alergeni alimentariAcest lucru necesită luarea unor precauții suplimentare. Nu toate proteinele imune sunt alergene, dar unele pot declanșa reacții la persoanele sensibile.
Din acest motiv, CBGP are o echipă specializată în alergeni care evaluează temeinic aceste proteine. Munca lor se concentrează pe identificarea Ce caracteristici structurale fac ca o proteină să fie un potențial alergen? și care nu sunt, astfel încât să se poată proiecta soluții biotehnologice sigure pentru consumul uman.
Această abordare riguroasă este esențială pentru ca inovația în culturile modificate genetic sau îmbunătățite să aibă un loc real pe piață, garantând siguranța alimentară și dezvoltarea responsabilă de noi soiuri care ajută la combaterea schimbărilor climatice fără a crea probleme suplimentare.
Către cereale care „respiră” azot din aer
Printre cele mai ambițioase proiecte derulate la CBGP, se remarcă cel condus de cercetător. Luis Rubiofinanțat de Fundația Gates. Scopul său este pe cât de simplu de explicat, pe atât de dificil de realizat: să facă cereale capabile de pentru a capta și metaboliza azotul din aerreducerea drastică a dependenței de îngrășămintele chimice.
Spre deosebire de leguminoase, culturile de bază precum orezul, grâul sau porumbul nu formează în mod natural asociații simbiotice atât de puternice cu bacteriile fixatoare de azot. Nici nu posedă mecanismul intern pentru a fixa N₂ singure, deoarece Le lipsește enzima nitrogenază pe care le posedă anumite bacterii.
Echipa lui Rubio folosește ca model o bacterie fixatoare de azot legată de drojdia de panificație, cunoscută sub numele de Azotobacter vinelandii (adesea reprezentate greșit în unele medii), capabile să fixeze eficient azotul. Ideea este de a transfera genele implicate în fixarea azotului de la aceste bacterii la plante.
În laborator, cercetătorii lucrează la introducerea și exprimarea coordonată a acestor gene bacteriene în celulele vegetale, cu scopul de a permite cerealelor să... activează intern un sistem funcțional de fixare a azotuluiEste o provocare uriașă, deoarece azotaza este foarte complexă și extrem de sensibilă la oxigen, așa că necesită condiții foarte specifice pentru a funcționa.
Dacă acest obiectiv este atins, chiar și parțial, ar putea reprezenta o revoluție pentru agricultura mondială: cerealele și-ar putea satisface singure o mare parte din necesarul de azot, reducând utilizarea îngrășămintelor sintetice și, în consecință, poluarea solului, a apei și a aerului asociată cu producția și aplicarea sa.
Îngrășăminte chimice și sustenabilitatea agriculturii
În prezent, îngrășămintele cu azot sunt esențiale pentru menținerea unor randamente ridicate ale producția globală de cerealeDatorită lor, a fost posibilă hrănirea unei populații în continuă creștere, dar această dependență are un cost ecologic din ce în ce mai greu de suportat.
Sinteza industrială a îngrășămintelor consumă cantități mari de energie și emite gaze cu efect de seră; utilizarea lor intensivă în câmp provoacă poluarea aerului cauzată de emisiile de oxizi de azot și amoniaciar scurgerile transportă nitrați către râuri, acvifere și mări, favorizând procese precum eutrofizarea.
În plus, utilizarea excesivă a îngrășămintelor și anumite practici de gestionare pot accelera degradarea solurilor agricolereducând capacitatea acestora de a reține apa și nutrienții și prinzând fermierii într-un cerc vicios al dependenței de inputuri externe.
Potrivit cercetătorilor din cadrul proiectului privind cerealele autofertilizate, o scădere semnificativă a utilizării acestor îngrășăminte ar putea deschide calea către o o agricultură mult mai sustenabilăMai puțin îngrășământ înseamnă mai puține emisii asociate cu fabricarea acestuia, mai puțină poluare a apei și o șansă mai mare de recuperare a solurilor degradate.
Scopul final este de a dezvolta soiuri de orez, grâu și porumb capabile să în mare parte autofertilizeazăfolosind azotul din aer ca sursă principală. Cu toate acestea, echipa însăși recunoaște că acesta este un obiectiv de o complexitate tehnologică enormă, care va necesita probabil decenii de cercetare înainte de a fi implementat la scară largă pe teren.
Infrastructură de ultimă generație: sere și rizotronuri
Pentru a realiza aceste proiecte, CBGP dispune de facilități de aproximativ 1.900 m² dedicați cultivării plantelor în condiții controlateO piesă centrală a acestei infrastructuri este o seră de aproximativ 1.200 m², dotată cu sisteme avansate de control al climei și iluminare.
Aceste sere permit cultivarea diferitelor specii de interes agricol sau a modelelor experimentale în condiții perfect reglementate de temperatură, lumină, umiditate și compoziția substratuluiAcest lucru permite reproducerea scenariilor de stres cauzate de căldură, secetă sau salinitate pentru a evalua comportamentul plantelor modificate sau selectate.
Instalația dispune de module de izolare de tip P2, special concepute pentru lucrul cu plante transgenice. În aceste spații, temperatura poate fi controlată pe o gamă largă, aproximativ între 10 și 45 °C, ceva esențial pentru simularea valurilor de căldură sau a condițiilor moderat de reci.
În plus, sera încorporează un sistem de fenotiparea digitală automată cu roboți care se deplasează prin culoare pentru a capta imagini și date de la plante. Acest sistem permite monitorizarea precisă și la scară largă a unor aspecte precum creșterea, starea apei și severitatea simptomelor de stres.
Un alt element foarte interesant al infrastructurii sunt așa-numiții rizotroni, structuri compuse din plăci transparente care expun sistemul radicularDatorită lor, se pot obține imagini detaliate ale rădăcinilor, se poate măsura creșterea și grosimea acestora și se poate analiza modul în care reacționează la diferite produse sau condiții de mediu.
Combinația dintre aceste sere controlate, sistemele de analiză robotizată și rizotroni face din centru un mediu ideal pentru Testați noi soiuri și tehnologii înainte de a le extinde utilizareaÎn plus, aceste facilități nu sunt rezervate exclusiv echipelor interne: ele sunt deschise și proiectelor altor organizații publice și private interesate să răspundă provocărilor agricole ale viitorului.
Toate aceste cercetări asupra proteinelor de rezistență, a simbiozelor fixatoare de azot și a cerealelor capabile să utilizeze azotul atmosferic indică un model agricol în care plantele Ei lucrează mai îndeaproape cu microorganismele și cu propria lor biologie. să producă mai mult cu mai puține inputuri externe. Deși multe dintre aceste obiective vor deveni realitate la scară largă în ani sau decenii, fiecare progres ne aduce puțin mai aproape de posibilitatea unor culturi care, la figurat vorbind, „respiră” azot din aer și susțin aprovizionarea globală cu alimente pe o planetă aflată sub presiune climatică.
