Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis (UC Davis) ogłosili niedawno, że opracowali odmianę pszenicy zdolną stymulować produkcję własnego nawozu. Dzięki temu osiągnięciu może się zmniejszyć stosowanie nawozów mineralnych, ograniczyć zanieczyszczenie środowiska oraz koszty produkcji rolnej.

Co dokładnie zmieniono i jak to działa?

• Zespół prowadzony przez profesora Eduardo Blumwalda wykorzystał technikę edycji genów CRISPR, aby zmodyfikować pszenicę tak, by produkowała zwiększone ilości jednego z własnych, naturalnie występujących związków — flawonu o nazwie apigenina.
• Pszenica z większą produkcją apigeniny wydziela jej nadmiar przez korzenie do gleby. Ten związek stymuluje w glebie pewne bakterie, które mogą tworzyć biofilm — warstwę ochronną ograniczającą dostęp tlenu. Tak powstaje środowisko sprzyjające enzymowi nitrogenazy, potrzebnemu do procesu zwanego wiązaniem azotu (ang. nitrogen fixation).
• W rezultacie bakterie mogą przekształcać azot z powietrza do formy, którą pszenica może wykorzystać (np. amoniaku), co zmniejsza potrzebę stosowania nawozu azotowego.

Wyniki i potencjalne korzyści

• W eksperymentach zmodyfikowana pszenica osiągała lepsze plony niż kontrolne rośliny, gdy używano bardzo niskich dawek nawozu azotowego.
• Globalnie pszenica zużywa ok. 18 % nawozów azotowych produkowanych na świecie.
• Z kolei tylko do 30-50 % azotu z nawozów mineralnych trafia efektywnie do roślin; reszta może uciekać do środowiska — do wód, powodując eutrofizację, albo przekształcać się do gazów cieplarnianych (np. podtlenek azotu).

Dzięki modyfikacji pszenicy możliwe byłoby:

• zmniejszenie ilości nawozów azotowych potrzebnych do uzyskania danego plonu,
• oszczędności finansowe dla rolników,
• ograniczenie negatywnego wpływu nawozów na środowisko — m.in. mniejsza emisja nitryfikacyjnych związków, mniejsze zanieczyszczenie wód.

Ograniczenia, wyzwania i dalsze prace

• To badanie obecnie odbywa się jeszcze w warunkach eksperymentalnych. Pszenica z nadprodukcją apigeniny nie jest jeszcze komercyjnie dostępna.
• Wymaga dalszych testów w różnych warunkach glebowych, klimatycznych i przy różnych poziomach nawożenia, aby potwierdzić stabilność cechy i wpływ na plony.
• Ważne też, aby sprawdzić, czy zwiększony poziom apigeniny i biofilmu nie mają negatywnych skutków ubocznych — np. dla innych mikroorganizmów glebowych, patogenów lub dla samych roślin.
• Są też pytania regulacyjne i społeczna akceptacja — modyfikacje genetyczne, nawet jeśli przez CRISPR, mogą w niektórych krajach napotykać opór prawny i etyczny.

Znaczenie dla rolnictwa i globalnego bezpieczeństwa żywnościowego

• W krajach, gdzie rolnicy nie mają łatwego dostępu do nawozów – zarówno z powodu kosztów, jak i infrastruktury – taka pszenica mogłaby przynieść wymierne korzyści. Mniej wydatków, większa samowystarczalność.
• Dodatkowo, zmniejszenie użycia nawozów azotowych to także redukcja zanieczyszczeń wodnych (przepływu azotu do rzek i jezior) oraz emisji gazów cieplarnianych — element istotny w kontekście zmian klimatu.
• Może też zachęcać do dalszych badań nad zrównoważonymi uprawami zbóż — nie tylko pszenicy, lecz także ryżu, kukurydzy, prosa etc. Zespół UC Davis planuje rozszerzyć tę technologię na inne zboża.

Podsumowanie

Dzięki pracy naukowców z UC Davis możliwe jest, że w przyszłości będzie uprawiana pszenica, która w pewnym stopniu produkuje własny nawóz, w sensie stymulowania bakterii wiążących azot. Modyfikacja polega na zwiększonej produkcji apigeniny, która wywołuje tworzenie biofilmu przez bakterie w glebie. To pozwala im działać enzymowi nitrogenazy i dostarczać azot roślinie.

Choć wyniki są obiecujące, droga do praktycznego zastosowania jest jeszcze długa. Niezbędne będą pola doświadczalne, badanie wpływu w różnych klimatach i warunkach glebowych, jak też regulacje prawne. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, może to być znaczący krok w kierunku rolnictwa bardziej ekologicznego i bardziej odpornego na koszty nawozów, zwłaszcza w krajach rozwijających się.