Howard-Yana Shapiro, nyní vedoucí zemědělský důstojník na Marsu, Incorporated, v 80. letech hledal nové druhy kukuřice. Byl v okrese Mixes v Oaxaca v jižním Mexiku, v oblasti, kde se nejprve vyvinuli prekurzory kukuřice (aka kukuřice), když našel některé z nejpodivnějších kukuřic, jaké kdy viděl. Nejen, že to bylo 16 až 20 stop vysoké, trpasličí 12 stopové věci na amerických polích, zralo to šest až osm měsíců, mnohem déle než 3 měsíce potřebné pro konvenční kukuřici. Přesto rostl do těch působivých výšin v tom, co lze charitativně nazvat chudou půdou, bez použití hnojiva. Nejpodivnější částí kukuřice však byly její vzdušné kořeny - zelené a růžové, prstovité výčnělky vyčnívající z stonek kukuřice, kapající čistým, sirupovým gelem.
Shapiro měl podezření, že ty mucousy prsty mohou být Svatým grálem zemědělství. Věřil, že kořeny umožnily této jedinečné odrůdě kukuřice, která se nazývala Sierra Mixe a místně se chovala po stovky či tisíce let, produkovat vlastní dusík, nezbytnou živinu pro plodiny, které se obvykle používají jako hnojivo v epických množstvích.
Myšlenka se zdála slibná, ale bez nástrojů DNA, které by prozkoumaly specifika toho, jak kukuřice vyrábí dusík, byl objev odložen. Téměř o dvě desetiletí později, v roce 2005, začal Alan B. Bennett z Kalifornské univerzity v Davisu - spolu se Shapirem a dalšími vědci - používat nejmodernější technologii k prozkoumání dusíkatých vlastností hlenové kukuřice, která to zjistila, bakterie žijící v hlenu vytahovaly ze vzduchu dusík a přeměňovaly jej do formy, kterou by kukuřice mohla absorbovat.
Nyní, po více než deseti letech terénního výzkumu a genetické analýzy, tým publikoval svou práci v časopise PLOS Biology. Pokud by mohla být vlastnost vázající dusík chována na konvenční kukuřici, což by jí umožnilo produkovat i část vlastního dusíku, mohlo by to snížit náklady na zemědělství, snížit emise skleníkových plynů a zastavit jednu z hlavních znečišťujících látek v jezerech, řekách a oceán. Jinými slovy, mohlo by to vést k druhé dusíkové revoluci.
Syntetická produkce dusíku může být největším úspěchem 20. století. Objev Haber-Boschova procesu a jeho vylepšení, při kterém se dusík ze vzduchu za vysokého tepla a tlaku v přítomnosti katalyzátoru stripuje, vedl ke třem samostatným Nobelovým cenám. A zaslouží si je. Odhaduje se, že v letech 1908 až 2008 se výnosy plodin více než zdvojnásobily, přičemž až polovina tohoto růstu je způsobena syntetickým dusíkatým hnojivem. Někteří vědci spojili masivní růst lidské populace za posledních sedmdesát let se zvýšeným používáním dusíkatých hnojiv. Bez ní bychom museli hospodařit téměř čtyřikrát tolik půdy nebo mít miliardy lidí na světě.
Ale produkce všeho dusíku má důsledky. Odhaduje se, že při výrobě hnojiva pomocí procesu Haber-Bosch se spotřebuje 1 až 2 procenta světové energie, která uvolňuje velké množství skleníkových plynů. A syntetický dusík rutinně vyplavuje pole do vodních toků, což vede k masivním květům řas, které nasávají veškerý kyslík, ničí ryby a jiné organismy. Tolik dusíku jde do řek a potoků, které se u ústí světových řek vyvinuly velké mrtvé zóny, včetně jedné v Mexickém zálivu, která byla v loňském roce velikostí New Jersey. Mark Sutton z britského Centra pro ekologii a hydrologii nazývá dusík „kmotrem znečištění“ - efekty jsou všude, ale viníka nikdy nevidíte.
Vědci dokonce transplantovali kukuřici do Madisonu ve Wisconsinu a zjistili, že je stále schopna vyrobit svůj vlastní dusík ze svého nativního prostředí. (Foto: Jean-Michel Ané) Nemůžeme však opustit pouze dusík, aniž bychom viděli výrazná omezení v zemědělství. Lepší řízení a zemědělské postupy sice mohou pomoci zabránit tomu, aby se dostaly z vodních toků, ale tyto strategie nestačí k vyřešení ekologických problémů dusíku. To je důvod, proč vědci po celá desetiletí přemýšleli, jestli existuje způsob, jak pomoci obilovinám, jako je kukuřice a pšenice, produkovat vlastní dusík.
Myšlenka není tak zdvořilá, jak zní. Spousta rostlin, zejména luštěnin, jako jsou sójové boby, arašídy a jetel, má symbiotický vztah s bakteriemi Rhizobium, které pro ně produkují dusík. Rostliny pěstují kořenové uzliny, kde se bakterie usazují a usrkávají rostlinné cukry, přičemž přeměňují dusík ve vzduchu na formu, kterou mohou rostliny použít. Pokud by byl nalezen podobný symbiotický vztah, který funguje v obilninách, jako je kukuřice a pšenice, vědci se domnívají, že bychom mohli omezit naše používání znečišťující látky.
Proto je kukuřičná sliznice tak důležitá, a proto Bennett a jeho tým strávili osm let studiem a opětovným studováním bakterií a gelu, aby se přesvědčili, že kukuřice skutečně dokáže produkovat svůj vlastní dusík. Pomocí sekvenování DNA byli schopni ukázat mikroby v sliz nesených genech pro fixaci dusíku a demonstrovali gel, který je kukuřičné exkety, což je vysoký cukr a nízký kyslík, dokonale navržen tak, aby podporoval fixaci dusíku. Pomocí pěti různých testů ukázali, že dusík produkovaný mikroby se poté dostal do kukuřice, což poskytlo 30 až 80 procent potřeb rostliny. Poté vytvořili syntetickou verzi slizu a naočkovali ji mikroby a zjistili, že produkují dusík i v tomto prostředí. Vyrostli dokonce v Sierra Mixe v Davisu v Kalifornii a Madison ve Wisconsinu, což ukazuje, že by mohl provést svůj zvláštní trik mimo svůj domácí trávník v Mexiku.
"Tento mechanismus je úplně odlišný od toho, co používají luštěniny, " říká Bennett a dodává, že může existovat i v jiných plodinách. "Určitě si lze představit, že podobné typy systémů existují v mnoha obilovinách." Například čirok má vzdušné kořeny a sliz. Možná, že jiní mají jemnější mechanismy, které se vyskytují v podzemí a které by mohly existovat širší. Nyní, když jsme si vědomi, můžeme je hledat. “
Spoluautor Jean Michel-Ane z University of Wisconsin v Madisonu souhlasí s tím, že tento objev otevírá všechny typy nových možností. „Inženýrská kukuřice, která fixuje dusík a vytváří kořenové uzly, jako jsou luštěniny, je snem a bojem vědců po celá desetiletí. Ukazuje se, že tato kukuřice vyvinula zcela odlišný způsob, jak vyřešit tento problém fixace dusíku. Vědecká komunita pravděpodobně podceňovala fixaci dusíku v jiných plodinách kvůli své posedlosti kořenovými uzly, “říká v prohlášení. "Tato kukuřice nám ukázala, že příroda může najít řešení některých problémů daleko nad rámec toho, co si vědci dokážou představit."
Ukazuje se, že příroda má ještě více triků produkujících dusík v rukávu, na které vědci jen přicházejí. Existuje několik dalších probíhajících projektů zaměřených na získání obilovin a zeleniny, aby pro nás udělal Haber-Bosching. Jedním z nejslibnějších je použití endofytů nebo mikroorganismů, jako jsou bakterie a houby, které žijí v mezibuněčných prostorech rostlin. Výzkumník univerzity ve Washingtonu Sharon Doty se o organismy začal zajímat před několika desítkami let. Studovala vrby a topoly, které patří mezi první stromy, které rostou na narušené půdě po událostech, jako je sopečná erupce, povodně nebo rockfall. Tyto stromy vyrůstaly z říčního štěrku, s téměř žádným přístupem k dusíku v půdě. Uvnitř jejich stonků však Doty našel endofyty, které u stromů fixovaly dusík, žádné kořenové uzlíky nejsou nutné. Od té doby škádlila desítky různých kmenů endofytů, z nichž mnohé pomáhají rostlinám překvapivě. Některé produkují dusík nebo fosfor, další důležitou živinu, zatímco jiné zlepšují růst kořenů a jiné umožňují rostlinám přežít v suchu nebo ve slaných podmínkách.
"Existuje celá řada různých mikroorganismů, které mohou fixovat dusík a širokou škálu rostlinných druhů, na které mají vliv, " říká. Její testy ukázaly, že mikroby mohou zdvojnásobit produktivitu rostlin pepře a rajčat, zlepšit růst rýže a propůjčit stromům jako jedle Douglasu odolnost vůči suchu. Některé dokonce umožňují, aby stromy a rostliny nasávaly a rozkládaly průmyslové kontaminanty a nyní se používají k čištění míst Superfund. „Výhodou použití endofytů je to, že je to opravdu velká skupina. Našli jsme kmeny, které pracují s rýží, kukuřicí, rajčaty, paprikou a dalšími zemědělsky důležitými plodinami. “
Ve skutečnosti by se endofyty mohly dostat do rukou zemědělců dříve než později. Los Altos, kalifornský IntrinsyxBio, komercializuje některé endotyty Dotyho. Hlavní vědecký pracovník John L. Freeman v rozhovoru říká, že společnost je na dobré cestě, aby měl produkt připraven k uvedení na trh v roce 2019. Cílem je dodat do rostlin několik kmenů endofytů, s největší pravděpodobností potažením semen. Poté, co tyto bakterie zaujmou bydliště uvnitř rostliny, měly by vyčerpat asi 25 procent dusíku, který potřebuje.
Další biotechnologická společnost s názvem Pivot Bio nedávno oznámila, že beta testování podobného řešení využívá mikroby fixující dusík, které rostou v kořenových systémech kukuřice.
Nově vznikající pole syntetické biologie také trhá v problému s dusíkem. Bostonská společnost Joyn Bio, která byla založena v září minulého roku, je společným projektem mezi Bayer a Ginkgo Bioworks, biotechnologickou společností se zkušenostmi s vytvářením vlastních kvasinek a bakterií pro potravinářský a aromatický průmysl, mezi jinými projekty „designérských mikrobů“. Joyn v současné době prochází skrz Bayerovu knihovnu s více než 100 000 mikroby, aby našla hostitele, který dokáže úspěšně kolonizovat rostliny podobné Dotyho endofytům. Pak doufají, že vylepší tento „hostitelský podvozek“ geny, které mu umožní fixovat dusík. "Spíše než se spoléhat na přírodu a najít magický mikrob, o kterém si nemyslíme, že existuje, chceme najít hostitelský mikrob a jemně ho vyladit, aby udělal to, co je potřeba pro kukuřici nebo pšenici, " říká generální ředitel společnosti Joyn Michael Miille .
Nadace Gates je také ve hře, podporuje projekty, které se snaží předávat obilovinám dusíkaté schopnosti luštěnin. Další týmy doufají, že příchod superpočtového kvantového zpracování dat otevře nové oblasti chemie a identifikuje nové katalyzátory, díky nimž bude proces Haber-Bosch mnohem efektivnější.
I když je nepravděpodobné, že jedno řešení samo o sobě bude schopno nahradit 100 procent syntetického hnojiva, které lidé používají, možná by společně tyto projekty mohly vážně narušit znečištění dusíkem. Bennett doufá, že Sierra Mixe a co se jeho tým naučil, bude součástí dusíkové revoluce, i když připouští, že je to velmi dlouhý skok, než jeho slizké kukuřičné prsty začnou produkovat dusík v konvenčních plodinách. Nyní chce identifikovat geny, které produkují vzdušné kořeny, a určit, které z tisíců mikrobů objevených ve sliznici skutečně fixují dusík.
"Myslím, že to, co děláme, by mohlo být komplementární k těmto [endoyphte a syntetickým biologiím] přístupům, " říká. "Myslím, že uvidíme mnoho odlišných strategií a za 5 až 10 let se objeví něco, co ovlivní to, jak kukuřice dostává dusík."
Poznámka editora 15/18/18: Předchozí návrh tohoto článku chybně označil jméno Johna L. Freemana a nesprávně identifikoval jeho současnou společnost.
