Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Wiązanie azotu cząsteczkowego z atmosfery to zdolność przypisana mikroorganizmom, jednak skrzętnie korzystają z niej rośliny wyższe. Klasycznym przykładem jest symbioza roślin motylkowych i bakterii brodawkowych. Okazuje się jednak, że współpraca bakterii azotowych z roślinami jest w naturze zjawiskiem o wiele bardziej powszechnym niż mogło się wydawać, a także nie ogranicza się jedynie do struktur korzeniowych. Badacze udowadniają, że pustynne drzewa zawdzięczają swój wzrost mikroorganizmom porastającym ich liście oraz przepowiadają, że „nawożące bakterie” mogą stać się przyszłością rolnictwa.

 

Azot to jeden z najważniejszych pierwiastków świata ożywionego budujący najbardziej kluczowe struktury życia: białka i zasady azotowe wchodzące w skład kwasów nukleinowych. W oczywisty sposób jest też niezbędny do wzrostu roślin. Mimo, iż 78 % otaczającego nas powietrza stanowi azot w formie cząsteczkowej (N2), rośliny nie są w stanie asymilować tej neutralnej formy pierwiastka. Stąd, aby uzyskać pożądany przyrost biomasy, konieczne jest stosowanie nawozów zawierających formy azotu przyswajalne przez rośliny. Nawozy azotowe nie muszą być stosowane w przypadku roślin motylkowych (strączkowych), bowiem żyją one w symbiozie z tzw. bakteriami brodawkowymi (lub endofitami), co od początku lat 90. XX wieku przyjmuje się za kanoniczny przykład tego typu współzależności. Brodawki korzeniowe to narośle zawierające bakterie azotowe, m. in. z rodzaju Rhizobium, które pobierają azot cząsteczkowy ze środowiska i przy pomocy enzymu nitrogenazy metabolizują go do form przyswajalnych przez roślinę, takich jak kation amonowy czy dwutlenek azotu. Rośliny „nawożone” w ten sposób charakteryzują się szybkim przyrostem masy oraz wysoką zawartością białka, co wykorzystuje się w rolnictwie.

Dr Sharon Doty z Uniwersytetu w Waszyngtonie opisała zjawisko, które łamie przyjęty dogmat dotyczący zarówno zakresu gatunkowego symbiozy, jak i jej lokalizacji w brodawkach korzeniowych. W swoich badaniach skupiła się na topolach porastającymi spieczone słońcem piaszczyste tereny subtropikalne. Mimo niekorzystnych warunków drzewa te charakteryzują się niespotykanym tempem przyrostu masy, osiągając 30 metrów wysokości w ciągu niespełna 10 lat. Doty przypisuje tę zdolność mikroorganizmom zasiedlającym liście topoli. Podczas, gdy liście zajęte są pozyskiwaniem energii ze światła słonecznego, bakterie azotowe bytujące w przestrzeniach międzykomórkowych zajmują się wiązaniem azotu cząsteczkowego z atmosfery. Dr Doty zaobserwowała, że mikroorganizmy izolowane z liści i innych tkanek topoli są zdolne do wzrostu w pożywce pozbawionej azotu, co wskazuje na ich zdolność do wiązania azotu atmosferycznego. Do hipotezy Doty przychyla się także dr Carolin Frank, mikrobiolog z Uniwersytetu Kalifornia, która badała bakterie azotowe zasiedlające igły sosny giętkiej porastającej niesprzyjające skaliste tereny Ameryki Północnej. 30-80 % szczepów izolowanych z igieł to szczepy spokrewnione z gatunkami bakterii azotowych. Aktywność mikroorganizmów w strukturach oddalonych od korzeni udowodniono poprzez zlokalizowaną redukcję etynu do etenu, za co odpowiedzialna jest bakteryjna nitrogenaza. Inny badacz, dr Gerald Tuskan z Narodowego Laboratorium Oak Ridge w Tennessee, potwierdza iż niemal 3000 szczepów wyizolowanych z liści topoli wyposażonych jest w nitrogenazę. Sceptycy utrzymują, że enzym ten nie jest aktywny w środowisku bogatym w tlen, jakim są liście. Naukowcy ripostują, że bakterie zorganizowane w strukturę biofilmu są w stanie zapewnić sobie niszę o obniżonej zawartości tlenu.

Dr Doty przeprowadziła badania w warunkach szklarniowych, w których inkubowała nasiona ryżu w pożywce zawierającej endofity z topoli. Rośliny wyrastające z tak traktowanych nasion wykazywały większy przyrost biomasy, były wyższe i produkowały więcej ziaren niż rośliny kontrolne. Ponadto, endofity lokalizowały się we wszystkich strukturach tak wyhodowanego ryżu. Podobne obserwacje dotyczyły także innych gatunków roślin, takich jak trawy, żyto, kukurydza i pomidor. W dobie rolnictwa, które z jednej strony podąża w kierunku upraw ekologicznych, ograniczających sztuczne nawozy, z drugiej zaś musi sprostać potrzebom żywieniowym ponad 7-miliardowej populacji – mikroorganizmy azotowe mogą stanowić bardzo użyteczne i w 100 % naturalne narzędzie w uzyskiwaniu większych plonów.

KOMENTARZE
Newsletter