U bliskoj budućnosti poljoprivreda bi mogla da doživi ogromnu promenu: usevi će možda moći sami da izvlače azot direktno iz vazduha, čime bi se u velikoj meri uklonila potreba za industrijskim đubrivima. Naučnici su nedavno otkrili biološki mehanizam koji omogućava korenu biljaka da privlači korisne bakterije, umesto da ih automatski prepoznaje kao pretnju i odbacuje.
Do ovog otkrića došli su istraživači sa Aarhus University, a rezultati njihovog rada objavljeni su u prestižnom naučnom časopisu Nature. Prema izveštajima naučnog portala Earth, ova studija predstavlja važan korak ka razvoju poljoprivrednih kultura koje bi mogle same da obezbeđuju deo hranljivih materija potrebnih za rast.
Dva molekula koja su promenila način na koji biljke komuniciraju
Ključ ovog otkrića leži u iznenađujuće jednostavnoj promeni na molekularnom nivou. Naučnici su izmenili samo dve tačke u jednom imunološkom proteinu biljke, što je dovelo do potpuno drugačijeg načina na koji koren reaguje na mikroorganizme u zemljištu.
Ranije je biljka većinu mikroba automatski prepoznavala kao potencijalnu opasnost i pokretala odbrambeni mehanizam. Nakon ove minimalne modifikacije, isti signal počinje da se tumači drugačije – kao poziv na saradnju.
Istraživanje je sprovedeno na divljoj mahunarki Lotus japonicus, koja se često koristi kao model u proučavanju simbioze između biljaka i bakterija.
U korenu ove biljke nalazi se receptorni protein koji "donosi odluku" o sudbini mikroorganizama: da li će ih biljka uništiti ili će im dozvoliti da uđu u tkivo korena i uspostave korisnu simbiozu.
Promena samo dva specifična ostatka aminokiselina potpuno menja način prenosa signala. Spoljna struktura senzora ostaje gotovo identična, ali se unutrašnja poruka ćeliji menja – umesto komande za napad, biljka dobija signal da započne proces stvaranja prostora za bakterije.
Borba na ćelijskom nivou: prijatelj ili neprijatelj
Biljke svakodnevno donose „odluke“ na mikroskopskom nivou. Zemljište je puno mikroorganizama – milijarde bakterija i gljivica žive oko korena biljaka. Neki od njih pokušavaju da napadnu biljku i iskoriste je kao izvor hrane, dok drugi mogu značajno da joj pomognu u rastu.
Korisne bakterije šalju poseban signal poznat kao "Nod faktor", koji funkcioniše poput molekularne lozinke. Kada biljka prepozna taj signal kao bezbedan, ona počinje da formira male čvoriće na korenu. U tim čvorićima bakterije pretvaraju azot iz vazduha u hranljive materije koje biljka može da koristi.
Sa druge strane, patogene gljivice imaju ćelijske zidove koji sadrže hitin – molekul koji biljke prepoznaju kao znak opasnosti. Kada se takav signal pojavi, biljka momentalno aktivira svoj odbrambeni sistem.
Problem je u tome što se senzori za prepoznavanje "prijatelja" i "neprijatelja" nalaze veoma blizu jedan drugom, zbog čega biljka mora izuzetno precizno da razlikuje ove molekularne poruke.
Istraživanje je pokazalo da velike evolutivne promene često ne zahtevaju potpuno nove organe ili složene strukture – ponekad su dovoljne minimalne promene u nekoliko molekula.
Da li bi i žitarice mogle da steknu ovu sposobnost?
Jedan od najzanimljivijih zaključaka studije jeste da mnoge žitarice već imaju potencijal za ovakvu simbiozu, ali ga prirodno ne koriste.
Na primer, ječam poseduje veoma slične senzorske proteine, ali u prirodnim uslovima uvek odbacuje bakterije koje bi mogle da pomognu u vezivanju azota.
Naučnici su zato odlučili da sprovedu eksperiment. Izmenili su dve ključne pozicije u proteinu ječma i zatim ga ubacili u ćelije biljke Lotus japonicus. Rezultat je bio iznenađujuće brz – modifikovani protein počeo je da šalje signal za saradnju sa bakterijama.
Ovo otkriće navodi na zaključak da žitarice već imaju „hardver“ potreban za simbiozu sa bakterijama, ali im nedostaje odgovarajući "softver" koji bi pokrenuo taj proces.
Sledeći veliki izazov za naučnike jeste da ovaj laboratorijski eksperiment pretvore u realne poljoprivredne kulture koje bi mogle da funkcionišu u prirodnim uslovima.
Zašto je ovo važno za planetu
Industrijska đubriva predstavljaju jedan od velikih problema savremene poljoprivrede. Njihova proizvodnja zahteva ogromne količine energije, naročito kroz takozvani Haber–Bosch process, koji omogućava proizvodnju amonijaka iz azota i vodonika.
Osim što troši velike resurse, višak azota sa poljoprivrednih površina često završava u rekama i jezerima. To dovodi do prekomernog rasta algi, procesa poznatog kao eutrofikacija. Kada se alge razmnože, one troše kiseonik iz vode i stvaraju takozvane "mrtve zone" u kojima ribe i druge vodene vrste ne mogu da prežive.
Dodatni problem predstavlja i gas azot-oksid, koji se oslobađa iz preterano đubrenog zemljišta. Ovaj gas zadržava toplotu u atmosferi mnogo efikasnije nego ugljen-dioksid i doprinosi klimatskim promenama.
Biljke koje bi same regulisale količinu azota mogle bi značajno da smanje ovaj štetni ciklus.
Rizici i izazovi genetskog inženjeringa
Ipak, naučnici upozoravaju da ovakav pristup nosi i određene rizike. Ako se imuni sistem biljke previše „otvori“ za mikroorganizme, postoji mogućnost da patogeni iskoriste tu slabost i izazovu bolesti.
Drugim rečima, biljka koja je previše gostoljubiva prema bakterijama mogla bi postati ranjivija na infekcije. U tom slučaju poljoprivrednici bi morali da koriste više pesticida, čime bi se smanjila ekološka korist od smanjenja upotrebe đubriva.
Postoji i drugi izazov – bakterije ne rade besplatno. Da bi bakterije mogle da pretvaraju azot u hranljive materije, biljka mora da im obezbedi energiju u obliku šećera koji nastaju tokom fotosinteze.
Zbog toga istraživači moraju pronaći ravnotežu: biljka mora da sarađuje sa bakterijama, ali i da zadrži visok prinos.
Iako je za sada reč o eksperimentalnom otkriću, naučnici su uspeli da pokažu da promena samo dva molekula može potpuno promeniti način funkcionisanja biljke.
Saveti naučnika za ljubitelje baštovanstva
Pored velikih naučnih otkrića, stručnjaci daju i praktične savete za sve koji vole da uređuju svoju baštu.
Preporučuje se da se tokom marta i aprila poseje nekoliko vrsta cveća koje se lako uzgajaju iz semena. Za samo nekoliko meseci takve biljke mogu pretvoriti dvorište ili balkon u pravi letnji cvetni vrt.
Za održavanje čistih baštenskih staza postoji i jednostavna alternativa hemijskim herbicidima. Umesto agresivnih sredstava protiv korova, moguće je koristiti ekološki prihvatljive metode koje se zasnivaju na svega nekoliko sastojaka koji se često već nalaze u domaćinstvu.
Takođe, za bogat rod kajsija preporučuje se orezivanje stabala između marta i aprila. Ovaj postupak jača biljku pred početak vegetacione sezone i može značajno povećati količinu plodova – ponekad čak i nekoliko puta u odnosu na neorezivana stabla.