1980-luvulla Howard-Yana Shapiro, nykyinen maatalouden päällikkö Marsissa, Incorporated, etsi uudenlaista maissia. Hän oli Oaxacan Mixes-alueella Etelä-Meksikossa, alueella, jossa maissin (eli maissin) esiasteet kehittyivät ensimmäistä kertaa, kun hän sijaitsi oudommasta maissista, jota koskaan on nähty. Sen lisäksi, että se oli 16 - 20 jalkaa korkea, 12-jalkan tavaroiden kääntäminen amerikkalaisilla pelloilla, kypsyminen kesti kuudesta kahdeksaan kuukauteen, mikä oli paljon pidempi kuin tavanomaiselle maissille tarvittavat 3 kuukautta. Siitä huolimatta se kasvoi näihin vaikuttaviin korkeuksiin, joita voidaan charmaattisesti kutsua huonoksi maaperäksi ilman lannoitetta. Mutta maissin omituisin osa oli sen ilmajuuret - vihreät ja ruusunväriset, sormenkaltaiset ulkonemat, jotka tarttuivat maasta. maissinvarsi, tippuu kirkkaalla, siirappisella geelillä.
Shapiro epäili, että nuo limakalvat voivat olla maatalouden Pyhä Graali. Hän uskoi, että juuret sallivat tämän ainutlaatuisen maissilajikkeen, jota kutsutaan nimellä Sierra Mixe ja jota kasvatetaan paikallisesti satojen tai jopa tuhansien vuosien ajan, tuottamaan omaa typpeä, välttämätöntä ravintoainetta viljelykasveille, jota käytetään yleensä lannoitteena eeppisissä määrissä.
Idea näytti lupaavalta, mutta ilman DNA-työkaluja tutkiaksesi, miten maissi tuotti typpeä, löytö hylättiin. Melkein kaksi vuosikymmentä myöhemmin, vuonna 2005, Kalifornian Davisin yliopiston Alan B. Bennett - yhdessä Shapiron ja muiden tutkijoiden kanssa - aloitti huipputeknologian tutkiakseen flegmiamaissin typpeä kiinnittäviä ominaisuuksia, ja totesi, että limassa elävät bakteerit veivät typpeä ilmasta, muuntaen sen muotoon, jonka maissi voisi absorboida.
Nyt yli kymmenen vuoden kenttätutkimuksen ja geenianalyysin jälkeen ryhmä on julkaissut työnsä PLOS Biology -lehdessä. Jos typen kiinnitysominaisuus voitaisiin kasvattaa tavanomaiseksi maissiksi, jolloin se voi tuottaa jopa osan omasta typestään, se voisi vähentää viljelykustannuksia, vähentää kasvihuonekaasupäästöjä ja pysäyttää yhden tärkeimmistä saasteista järvissä, joissa ja valtameri. Toisin sanoen, se voi johtaa toiseen typpivallankumoukseen.
Typen synteettinen tuotanto voi olla 1900-luvun suurin saavutus. Haber-Bosch -prosessin ja sen hienostuneiden ratkaisujen avulla typpi poistetaan ilmasta korkeassa kuumuudessa ja paineessa katalyytin läsnä ollessa, ja se on johtanut kolmeen erilliseen Nobel-palkintoon. Ja he ovat hyvin ansaittuja. On arvioitu, että sadon sadot ovat yli kaksinkertaistuneet vuosien 1908 ja 2008 välillä. Synteettiset typpilannoitteet vastaavat jopa puoleen kasvusta. Jotkut tutkijat ovat sitoneet väestön voimakkaan kasvun viimeisen seitsemänkymmenen vuoden aikana typpilannoitteiden käytön lisääntymiseen. Ilman sitä meidän olisi pitänyt viljellä melkein neljä kertaa niin paljon maata tai olla miljardeja vähemmän ihmisiä maailmassa.
Mutta kaiken typen tuottamisella on seurauksia. On arvioitu, että lannoitteiden valmistaminen Haber-Bosch-prosessin avulla kuluttaa 1–2 prosenttia maailman energiasta ja päästää paljon kasvihuonekaasuja. Ja synteettinen typpi pesee rutiininomaisesti kentät vesiväyliksi, mikä johtaa massiiviseen leväkukintaan, joka imee kaiken hapen, tappaen kaloja ja muita organismeja. Niin paljon typpeä joutuu jokiin ja puroihin, että maailman jokien suulle on kehittynyt suuria kuolleita alueita, mukaan lukien yksi Meksikonlahdella, joka viime vuonna oli New Jerseyn kokoinen. Mark Sutton Yhdistyneen kuningaskunnan ekologia- ja hydrologiakeskuksesta kutsuu typpeä ”pilaantumisen kummisetäksi” - sen vaikutuksia on kaikkialla, mutta et koskaan oikein näe syyllistä.
Tutkijat jopa siirrävät maissia Madisoniin, Wisconsiniin, ja havaitsivat, että se pystyi edelleen tuottamaan oman typen alkuperäisestä ympäristöstään. (Kuva: Jean-Michel Ané) Mutta emme voi vain lopettaa typpeä näkemättä merkittäviä vähennyksiä maataloudessa. Parempi hallinto- ja viljelykäytäntö voi auttaa pitämään sen pois vesiväylistä, mutta nämä strategiat eivät riitä korjaamaan typen ekologisia ongelmia. Siksi tutkijat ovat vuosikymmenien ajan pohtineet, onko olemassa tapa auttaa viljakasveja, kuten maissia ja vehnää, tuottamaan omaa typpeään.
Idea ei ole niin kaukana kuin miltä se kuulostaa. Monilla kasveilla, etenkin palkokasveilla, kuten soijapavut, maapähkinät ja apila, on symbioottinen suhde Rhizobium-bakteereihin, jotka tuottavat heille typpeä. Kasvit kasvavat juurin kyhmyjä, joissa bakteerit asettuvat asumaan ja imevät kasvisokereita muuttaen samalla ilmassa olevan typen muotoon, jota kasvit voivat käyttää. Jos voitaisiin löytää samanlainen symbioottinen suhde, joka toimii viljakasveissa, kuten maissi ja vehnä, tutkijoiden mielestä voisimme vähentää pilaavan aineen käyttöä.
Siksi limamaisi on niin tärkeä, ja miksi Bennett ja hänen tiiminsä viettivät kahdeksan vuotta tutkia ja tutkia uudelleen bakteereja ja geeliä vakuuttaakseen itsensä, että maissi todella kykeni tuottamaan oman typensä. DNA-sekvensointia käyttämällä he pystyivät osoittamaan mikrobit liman kannetuissa geeneissä typen kiinnittämiseksi ja osoittivat geelin, jonka maissi eritteet, jotka ovat paljon sokeria ja vähän happea, on suunniteltu täydellisesti edistämään typen kiinnittymistä. Viiden erilaisen testin avulla he osoittivat, että mikrobien tuottama typpi kulki tiensä kautta maissiin, mikä vastaa 30 - 80 prosenttia kasvin tarpeista. Sitten he tuottivat synteettisen version limasta ja siemenivät sen mikrobien kanssa huomaten, että ne tuottivat typpeä myös tässä ympäristössä. He jopa kasvattivat Sierra Mixen Davisissa, Kaliforniassa ja Madisonissa, Wisconsinissa, osoittaen, että se voisi suorittaa erityisen tempunsa kotimarkkinoillaan Meksikossa.
"Tämä mekanismi on täysin erilainen kuin mitä palkokasvit käyttävät", Bennett sanoo ja lisäävän, että sitä voi esiintyä myös muissa kasveissa. ”On varmasti mahdollista, että samanlaisia järjestelmiä on monissa viljoissa. Esimerkiksi durralla on ilmajuuret ja kasvi. Ehkä toisilla on maan alla tapahtuvia hienovaraisempia mekanismeja, jotka voisivat olla olemassa laajemmin. Nyt kun olemme tietoisia, voimme etsiä heitä. ”
Yhteiskirjailija Jean Michel-Ane Wisconsinin yliopistosta, Madison, on yhtä mieltä siitä, että tämä löytö avaa kaikenlaisia uusia mahdollisuuksia. ”Maissin suunnittelu typen kiinnittämiseksi ja juurikimppujen muodostamiseksi palkokasvien tavoin on ollut tutkijoiden unelma ja taistelu vuosikymmenien ajan. Osoittautuu, että tämä maissi kehitti täysin erilaisen tavan ratkaista tämä typpikiinnitysongelma. Tiedeyhteisö aliarvioi todennäköisesti typen kiinnittymisen muihin viljelykasveihin, koska se on pakkomielle juurikipmuille ”, hän sanoo lausunnossaan. "Tämä maissi osoitti meille, että luonto voi löytää ratkaisuja joihinkin ongelmiin kauempana kuin mitä tutkijat voisivat koskaan kuvitella."
Osoittautuu, että luonnossa on vielä enemmän typpeä tuottavia temppuja hihassaan, jonka tutkijat vain saavat käsiinsä. On olemassa useita muita käynnissä olevia hankkeita, joiden tarkoituksena on saada vilja- ja vihanneskasvit tekemään meille Haber-Bosching. Yksi lupaavimmista on endofyyttien eli mikro-organismien, kuten bakteerien ja sienten, käyttö, jotka elävät kasvien solunvälisissä tiloissa. Washingtonin yliopiston tutkija Sharon Doty kiinnostui organismeista pari vuosikymmentä sitten. Hän opiskeli paju- ja pappelipuita, jotka ovat ensimmäisiä puita, jotka kasvavat häiriintyneessä maassa tapahtumien, kuten tulivuorenpurkauksen, tulvien tai kallion pudotuksen jälkeen. Nämä puut kasvoivat joen soralta, ja niissä oli tuskin mitään pääsyä maaperän typpeen. Varrensa sisällä Doty kuitenkin löysi endofyytejä, jotka kiinnittivät typpeä puihin, eikä juurin kynttilöitä tarvita. Sittemmin hän on kiusannut kymmeniä erilaisia endofyyttikantoja, joista monet auttavat kasveja yllättävällä tavalla. Jotkut tuottavat typpeä tai fosforia, toinen tärkeä ravintoaine, kun taas toiset parantavat juurten kasvua, ja toiset antavat kasveille selviytyä kuivuus- tai suola-olosuhteissa.
"Siellä [on] koko joukko erilaisia mikrobeja, jotka pystyvät kiinnittämään typpeä, ja monenlaisia kasvilajeja, joihin ne vaikuttavat", hän sanoo. Hänen testit ovat osoittaneet, että mikrobit voivat kaksinkertaistaa pippurin ja tomaattikasvien tuottavuuden, parantaa riisin kasvua ja antaa kuivuustoleranssin Douglas-kuusen kaltaisille puille. Jotkut jopa sallivat puiden ja kasvien imeä ja hajottaa teollisuuden epäpuhtaudet, ja niitä käytetään nyt Superfund-kohteiden puhdistamiseen. ”Endofyyttien käytön etuna on, että se on todella suuri ryhmä. Olemme löytäneet kantoja, jotka toimivat riisin, maissin, tomaattien, paprikoiden ja muiden maatalouden kannalta tärkeiden kasvien kanssa. "
Itse asiassa endofyyteistä saattaa tulla se viljelijöiden käsiin ennemmin kuin myöhemmin. Los Altos, Kaliforniassa sijaitseva IntrinsyxBio, markkinoi joitain Dotyn endofyyteistä. Tiedejohtaja John L. Freeman sanoo haastattelussa, että yritys on menossa tielle, jotta tuote olisi valmis markkinoille vuonna 2019. Tavoitteena on toimittaa useita endofyyttikantoja kasveihin, todennäköisimmin päällystämällä siemenet. Sen jälkeen kun nämä bakteerit ovat asuneet kasvin sisällä, niiden tulisi pumppata pois noin 25 prosenttia tarvitsemastaan typestä.
Toinen biotekniikkayritys, nimeltään Pivot Bio, ilmoitti äskettäin beetatestaamisesta samanlaista ratkaisua, jossa käytetään maissin juurijärjestelmissä kasvaa typpeä kiinnittäviä mikrobeja.
Äskettäin syntyvä synteettisen biologian ala on myös tarttumassa typpiongelmaan. Bostoniin perustettu Joyn Bio, joka perustettiin viime syyskuussa, on Bayerin ja Ginkgo Bioworksin, biotekniikkayrityksen, yhteisyritys, jolla on kokemusta räätälöityjen hiivojen ja bakteerien luomisesta elintarvike- ja mausteteollisuudelle muun muassa “suunnittelijamikrobiprojekteissa”. Joyn kampaa parhaillaan Bayerin kirjaston kautta yli 100 000 mikrobia löytääkseen isännän, joka pystyy kolonisoimaan menestyksekkäästi kasveja, kuten Dotyn endofyytejä. Sitten he toivovat säätää tuota ”isäntärunkoa” geeneillä, jotka antavat sille mahdollisuuden kiinnittää typpeä. "Sen sijaan, että luottaisimme luontoon ja löydämme taikuumikrobin, jota ei mielestämme ole olemassa, haluamme löytää isäntämikrobimme ja hienosäätää sen tehdäksemme sen, mitä tarvitsemme tehdä maissille tai vehnälle", sanoo Joynin toimitusjohtaja Michael Miille .
Gates-säätiö on myös pelissä, ja se tukee hankkeita, joilla yritetään levittää palkoviljojen typen kiinnittymiskykyä viljaan. Vielä muut ryhmät toivovat, että ylilatautuneen kvanttilaskennan tulo avaa uusia kemian alueita ja löytää uusia katalyyttejä, jotka tekevät Haber-Bosch-prosessista paljon tehokkaamman.
Vaikka on epätodennäköistä, että yksi ratkaisu yksin pystyy korvaamaan 100 prosenttia ihmisten käyttämistä synteettisistä lannoitteista, ehkä nämä hankkeet yhdessä voivat tehdä vakavan haitan typpisaasteessa. Bennett toivoo, että Sierra Mixe ja mitä hänen työryhmänsä on oppinut siitä, tulee olemaan osa typpivallankumousta, vaikka hän myöntää, että se on hyvin pitkä harppaus, ennen kuin hänen limaiset maissi sormensa alkavat tuottaa typpeä tavanomaisissa viljelykasveissa. Nyt hän haluaa tunnistaa geenit, jotka tuottavat ilmajuuret ja selvittää, mitkä tuhansista liman löydetyistä mikrobista todella kiinnittävät typpeä.
"Uskon, että tekemämme työ voisi täydentää niitä [endoyytti- ja synteettisen biologian] lähestymistapoja", hän sanoo. "Uskon, että näemme monia erilaisia strategioita, ja 5–10 vuodessa syntyy jotain, joka vaikuttaa siihen, miten maissi saa typpeä."
Toimittajan huomautus 15.8.1998: Tämän artikkelin aikaisempi luonnos kirjoitti väärin John L. Freemanin nimen ja tunnisti hänen nykyisen yrityksen väärin.
