Pada tahun 1980-an, Howard-Yana Shapiro, sekarang ketua pegawai pertanian di Mars, Incorporated, sedang mencari jenis jagung baru. Dia berada di Daerah Campuran Oaxaca di selatan Mexico, kawasan di mana pelopor jagung (aka jagung) mula-mula berevolusi, ketika ia menemukan beberapa jagung aneh yang pernah dilihat. Bukan sahaja 16 hingga 20 kaki tinggi, kurang daripada 12 kaki di ladang Amerika, butuh enam hingga lapan bulan untuk matang, jauh lebih lama daripada 3 bulan yang diperlukan untuk jagung konvensional. Tetapi ia berkembang ke tahap yang mengagumkan dalam apa yang boleh dipanggil sebagai tanah miskin, tanpa penggunaan baja. Tetapi bahagian paling tidak jagung adalah akar udara - muncung seperti hijau dan mawar berwarna seperti jari tangkai jagung, menetes dengan gel yang jelas dan menyerupai.
Shapiro mengesyaki bahawa jari-jari mucousy itu mungkin Holy Grail of agriculture. Beliau percaya bahawa akar ini membenarkan pelbagai jagung yang unik, yang digelar Sierra Mixe dan dibiakkan secara tempatan selama ratusan atau bahkan ribuan tahun, untuk menghasilkan nitrogen sendiri, nutrien penting untuk tanaman yang biasanya digunakan sebagai baja dalam jumlah epik.
Idea itu kelihatan menjanjikan, tetapi tanpa alat DNA untuk melihat ke dalam spesifik bagaimana jagung itu membuat nitrogen, penemuan itu ditangguhkan. Hampir dua dekad kemudian, pada tahun 2005, Alan B. Bennett dari University of California, Davis-bersama-sama dengan Shapiro dan penyelidik lain-mula menggunakan teknologi canggih untuk melihat ke dalam sifat-sifat penetapan nitrogen jagung phlegmy, bakteria yang tinggal di mukus menarik nitrogen dari udara, meneruskannya ke dalam bentuk jagung yang dapat diserap.
Sekarang, selepas lebih dari satu dekad penyelidikan lapangan dan analisis genetik, pasukan telah menerbitkan karya mereka dalam jurnal PLOS Biology. Jika sifat penetapan nitrogen dapat dibiakkan ke dalam jagung konvensional, membolehkan ia menghasilkan sebahagian daripada nitrogen sendiri, ia dapat mengurangkan kos pertanian, mengurangkan pelepasan gas rumah hijau dan menghentikan salah satu pencemar utama di tasik, sungai dan laut. Dalam erti kata lain, ia boleh membawa kepada revolusi nitrogen kedua.
Pengeluaran sintetik nitrogen mungkin merupakan pencapaian terbesar abad ke-20. Penemuan proses Haber-Bosch dan penghalusannya, di mana nitrogen dilepaskan dari udara di bawah tekanan tinggi dan tekanan dengan kehadiran pemangkin, telah membawa kepada tiga hadiah Nobel yang berbeza. Dan mereka berhak. Diperkirakan hasil tanaman lebih daripada dua kali ganda antara 1908 dan 2008, dengan baja nitrogen sintetik yang bertanggungjawab sehingga separuh pertumbuhan itu. Sesetengah penyelidik telah mengikat pertumbuhan besar dalam populasi manusia dalam tujuh puluh tahun yang lalu kepada peningkatan penggunaan baja nitrogen. Tanpa itu, kita perlu menanam hampir empat kali lebih banyak tanah atau mempunyai berbilion-bilion orang di dunia.
Tetapi menghasilkan semua nitrogen yang mempunyai akibat. Dianggarkan bahawa membuat baja melalui proses Haber-Bosch menggunakan antara 1 dan 2 peratus tenaga dunia, memancarkan banyak gas rumah kaca. Dan nitrogen sintetik secara rutin mencuci padang ke dalam saluran air, yang membawa kepada mekar alga yang menghisap semua oksigen, membunuh ikan dan organisma lain. Begitu banyak nitrogen masuk ke sungai dan sungai yang zon mati besar telah berkembang di mulut sungai-sungai dunia, termasuk satu di Teluk Mexico tahun lepas adalah saiz New Jersey. Mark Sutton dari Pusat Ekologi dan Hidrologi UK memanggil nitrogen "Godfather of pollution" -its kesan di mana-mana, tetapi anda tidak pernah benar-benar melihat pelakunya.
Penyelidik juga memindahkan jagung ke Madison, Wisconsin, mendapati bahawa ia masih dapat membuat nitrogen sendiri keluar dari persekitaran aslinya. (Foto: Jean-Michel Ané) Tetapi kita tidak boleh berhenti dari nitrogen tanpa melihat pengurangan besar dalam pertanian. Walaupun pengurusan dan penternakan amalan yang lebih baik dapat membantu menghalangnya daripada saluran air, strategi tersebut tidak mencukupi untuk memperbaiki masalah ekologi nitrogen. Itulah sebabnya para penyelidik selama beberapa dekad bertanya-tanya apakah ada cara untuk membantu tanaman bijirin seperti jagung dan gandum menghasilkan nitrogen mereka sendiri.
Idea ini tidak seperti yang terdengar. Banyak tumbuhan, khususnya kekacang seperti kacang soya, kacang tanah dan semanggi, mempunyai hubungan simbiosis dengan bakteria Rhizobium, yang menghasilkan nitrogen untuknya. Tanaman tumbuh nodul akar di mana bakteria mengambil kediaman dan menghirup pada gula tumbuhan ketika menukar nitrogen di udara menjadi bentuk tumbuhan yang dapat digunakan. Sekiranya hubungan simbiotik yang serupa dapat dijumpai yang bekerja dalam tanaman bijirin seperti jagung dan gandum, penyelidik percaya bahawa kami dapat mengurangkan penggunaan bahan pencemar ini.
Itulah sebabnya jagung mukus sangat penting, dan mengapa Bennett dan pasukannya menghabiskan lapan tahun belajar dan mengkaji semula bakteria dan gel untuk meyakinkan diri mereka bahawa jagung itu memang mampu menghasilkan nitrogen sendiri. Menggunakan penjujukan DNA, mereka dapat menunjukkan mikrob dalam gen yang dibawa ke lendir untuk membetulkan nitrogen dan membuktikan gel ekskret jagung, iaitu gula yang tinggi dan oksigen yang rendah, direka dengan sempurna untuk menggalakkan penetapan nitrogen. Dengan menggunakan lima ujian yang berbeza, mereka menunjukkan bahawa nitrogen yang dihasilkan oleh mikrob kemudian masuk ke dalam jagung, menyediakan 30 hingga 80 peratus daripada keperluan tumbuhan. Mereka kemudian menghasilkan versi sintetik lendir dan membiakkannya dengan mikroba, mendapati bahawa mereka menghasilkan nitrogen dalam persekitaran itu juga. Mereka juga menanam Sierra Mixe di Davis, California, dan Madison, Wisconsin, menunjukkan bahawa ia boleh melakukan tipuan khas di luar rumput rumahnya di Mexico.
"Mekanisme ini sama sekali berbeza dari apa yang digunakan oleh kekacang, " kata Bennett, sambil menambahkan ia mungkin wujud dalam tanaman lain. "Pastinya dibayangkan bahawa jenis sistem yang serupa wujud dalam banyak bijirin. Sebagai contoh, Sorghum mempunyai akar udara dan mucilase. Mungkin orang lain mempunyai mekanisme yang lebih halus yang berlaku di bawah tanah yang boleh wujud lebih luas. Sekarang kita sedar, kita boleh mencari mereka. "
Pengarang bersama Jean Michel-Ane dari University of Wisconsin, Madison, bersetuju bahawa penemuan ini membuka semua jenis kemungkinan baru. "Kejuruteraan jagung untuk membaiki nitrogen dan membentuk nodul akar seperti kekacang telah menjadi mimpi dan perjuangan saintis selama beberapa dekad. Ternyata jagung ini menghasilkan cara yang sama sekali berbeza untuk menyelesaikan masalah penetasan nitrogen ini. Komuniti saintifik mungkin meremehkan penebalan nitrogen dalam tanaman lain kerana obsesinya dengan nodul akar, "katanya dalam satu kenyataan. "Jagung ini menunjukkan kepada kita bahawa alam semula jadi boleh mencari penyelesaian kepada beberapa masalah yang jauh melebihi apa yang pernah dibayangkan saintis."
Ternyata alam semulajadi mempunyai lebih banyak teknik memproduksi nitrogen sehingga lengannya yang penyelidik hanya mendapat penangan. Terdapat beberapa projek berterusan yang bertujuan untuk mendapatkan tanaman bijirin dan sayur-sayuran untuk melakukan Haber-Bosching untuk kita. Salah satu yang paling menjanjikan adalah penggunaan endophytes, atau mikroorganisma seperti bakteria dan kulat yang hidup di ruang antara sel tumbuhan. Penyelidik Universiti Washington Sharon Doty berminat dalam organisma beberapa dekad lalu. Dia sedang mengkaji pokok willow dan poplar, yang merupakan antara pokok pertama yang tumbuh di tanah yang terganggu selepas kejadian seperti letusan gunung berapi, banjir atau roket. Pokok-pokok ini tumbuh daripada kerikil sungai, dengan hampir tiada akses kepada nitrogen di dalam tanah. Di dalam batangnya, bagaimanapun, Doty mendapati endophytes yang menetapkan nitrogen untuk pokok-pokok, tidak ada nodul akar yang diperlukan. Sejak itu, dia menggoda berpuluh-puluh pelbagai jenis endophytes, yang banyak membantu tumbuh-tumbuhan dengan cara mengejutkan. Sesetengah menghasilkan nitrogen atau fosforus, satu lagi nutrien penting, sementara yang lain meningkatkan pertumbuhan akar dan ada yang membenarkan tumbuh-tumbuhan dapat bertahan dalam keadaan kemarau atau keadaan garam tinggi.
"Di sana terdapat seluruh mikrob yang berbeza yang boleh membetulkan nitrogen dan pelbagai spesis tumbuhan yang dipengaruhi oleh mereka, " katanya. Ujiannya menunjukkan bahawa mikrob boleh menggandakan produktiviti tanaman lada dan tomato, meningkatkan pertumbuhan beras, dan memberikan toleransi kemarau kepada pokok-pokok seperti firma Douglas. Ada juga yang membenarkan pokok dan tumbuh-tumbuhan menghisap dan merosakkan bahan pencemar industri dan kini digunakan untuk membersihkan tapak Superfund. "Kelebihan menggunakan endophytes adalah bahawa ia adalah kumpulan yang sangat besar. Kami telah menemui strain yang bekerja dengan beras, jagung, tomato, lada dan tumbuh-tumbuhan tanaman pertanian lain yang penting. "
Malah, endophytes mungkin membuatnya menjadi petani lebih cepat daripada kemudian. Los Altos, IntrinsyxBio yang berpangkalan di California mengkomersialkan beberapa endophytes Doty. Ketua Pegawai Sains John L. Freeman berkata dalam satu temu bual syarikat itu berada di landasan untuk mempunyai produk yang siap untuk pasaran pada tahun 2019. Matlamatnya adalah untuk menyampaikan beberapa jenis endophytes ke dalam tumbuhan, kemungkinan besar dengan melapisi benih. Selepas bakteria tersebut mengambil kediaman di dalam kilang, mereka perlu mengeluarkan kira-kira 25 peratus daripada nitrogen yang diperlukan.
Satu lagi syarikat bioteknologi, yang dikenali sebagai Pivot Bio, baru-baru ini mengumumkan bahawa ia sedang menguji beta penyelesaian yang sama, menggunakan mikrob yang membaiki nitrogen yang tumbuh di sistem akar jagung.
Bidang biologi sintetik yang baru muncul juga mengambil retak pada masalah nitrogen. Joyn Bio yang berpangkalan di Boston, yang ditubuhkan pada September lepas, merupakan projek bersama antara Bayer dan Ginkgo Bioworks, sebuah syarikat bioteknologi yang mempunyai pengalaman menghasilkan ragi dan bakteria khusus untuk industri makanan dan perasa, antara lain "mikrobiologi pereka" projek. Joyn kini menyikat perpustakaan Bayer dengan lebih daripada 100, 000 mikrob untuk mencari tuan rumah yang berjaya menjajah tanaman, sama dengan endofit Doty. Kemudian mereka berharap untuk tweak bahawa "chassis tuan rumah" dengan gen yang akan membolehkannya untuk memperbaiki nitrogen. "Daripada bergantung kepada alam semula jadi dan mencari mikrob ajaib, yang kami tidak fikir ada, kami ingin mencari mikrob tuan rumah kami dan menuangkannya untuk melakukan apa yang kami perlukan untuk jagung atau gandum, " kata CEO Joyn Michael Miille .
Yayasan Gates juga dalam permainan, mendukung proyek-proyek yang berusaha untuk membagikan kemampuan nitrogen-memperbaiki kekacang menjadi bijirin. Masih pasukan lain berharap bahawa kedatangan pengkomputeran kuantum supercharged akan membuka alam baru kimia dan mengenal pasti pemangkin baru yang akan menjadikan proses Haber-Bosch jauh lebih cekap.
Walaupun tidak mungkin satu penyelesaian semata-mata akan dapat menggantikan 100 peratus daripada penggunaan manusia sintetik sintetik, mungkin bersama-sama projek-projek ini dapat membuat penyok yang serius dalam pencemaran nitrogen. Bennett berharap bahawa Sierra Mixe dan apa yang telah dipelajari oleh pasukannya akan menjadi sebahagian daripada revolusi nitrogen, walaupun dia mengakui ia adalah lompatan yang sangat panjang sebelum jari jagung berlendirnya mula menghasilkan nitrogen dalam tanaman konvensional. Dia kini mahu mengenal pasti gen-gen yang menghasilkan akar udara dan pin mana yang beribu-ribu mikrob yang ditemui dalam mucilage sebenarnya membetulkan nitrogen.
"Saya fikir apa yang kita lakukan boleh menjadi pelengkap kepada pendekatan [endogram dan biologi sintetik], " katanya. "Saya fikir kita akan melihat banyak strategi yang berbeza, dan dalam masa 5 hingga 10 tahun sesuatu akan muncul yang memberi kesan bagaimana jagung mendapat nitrogen."
Nota editor 8/15/18: Draf terdahulu artikel ini menyalahgunakan nama John L. Freeman dan tidak dapat mengenal pasti syarikatnya sekarang.
