Emisję miliardów ton gazów cieplarnianych powoduje co roku produkcja azotowych nawozów sztucznych, które w każdym regionie świata są podstawą zwiększenia plonów. Obecnie naukowcy robią postępy w pracach nad bardziej ekologiczną alternatywą: bakteriami zmodyfikowanymi genetycznie. Podejście to czerpie inspirację z naturalnych bakterii, które „wiążą” azot w postaci przydatnej dla roślin i dostarczają go niektórym gatunkom. Naukowcy wprowadzają modyfikacje genetyczne do bakterii, aby umożliwić im wiązanie azotu także dla innych roślin uprawnych, takich jak kukurydza i pszenica, które nie mają naturalnych partnerów mikrobiologicznych pełniących tę funkcję.
Jak nowe nawożenie ma dostarczać azot roślinom?
W komentarzu opublikowanym 10 listopada w czasopiśmie „Nature Biotechnology”¹ naukowcy sugerują, że bakterie zmodyfikowane genetycznie mogłyby ostatecznie zastąpić nawet połowę nawozów syntetycznych, a według przytoczonych danych nawozy syntetyczne odpowiadają za około 5% światowych emisji gazów cieplarnianych. Firmy biotechnologiczne próbują zmodyfikować bakterie tak, by skuteczniej zasiedlały korzenie kukurydzy i innych upraw, a następnie przekazywały im azot. Zasada działania tego procesu jest dobrze znana. Roślina pobiera ten azot dzięki bakteriom, a w zamian dostarcza węgiel, który napędza wzrost bakterii.
Bakterie mogłyby dostarczać azot do korzeni bardziej efektywnie niż nawozy syntetyczne, co mogłoby ograniczyć emisję gazów cieplarnianych oraz zanieczyszczenie azotem wód powierzchniowych. Wymagałoby to jednak szeregu postępów, od skłonienia różnych gatunków mikroorganizmów do współpracy po przeprowadzenie bardziej rygorystycznych badań terenowych.
Pierwsze testy polowe w USA i Brazylii
Warto podkreślić, że niektóre z tych bakterii zostały wzbogacone o geny i fragmenty genetyczne pochodzące od wirusów lub odlegle spokrewnionych bakterii. Oznacza to, że zmodyfikowane mikroorganizmy klasyfikuje się jako transgeniczne — zmodyfikowane w taki sposób, by zawierały DNA pochodzące od innych gatunków. Bakterie te są obecnie testowane na niewielkich poletkach upraw kukurydzy w gospodarstwach rolnych na Środkowym Zachodzie Stanów Zjednoczonych. Bakterie te, opracowane przez firmę Switch Bioworks z San Carlos w Kalifornii, stanowią pierwszy przykład transgenicznego nawozu biologicznego, który uzyskał zgodę na przeprowadzenie testów polowych w tym kraju.
We wrześniu firma Switch Bioworks otrzymała zgodę od brazylijskiej agencji regulacyjnej, Krajowej Komisji Technicznej ds. Bezpieczeństwa Biologicznego (CNTBio), na testowanie swoich szczepów w tym kraju. Jak twierdzi biolog molekularny Mario Murakami, pełniący funkcję prezesa CNTBio w Campinas, jest to pierwszy przypadek, kiedy jakakolwiek bakteria transgeniczna została dopuszczona do testów polowych w Brazylii.
Ile nawozów azotowych udało się już zastąpić?
Jak czytamy w artykule opublikowanym na nature.com, firmy, które skupiły się na edycji genów bakterii zamiast na produkcji mikroorganizmów transgenicznych, są na bardziej zaawansowanym etapie. Przykładowo firma Pivot Bio z Minneapolis w stanie Minnesota w ciągu ostatniej dekady zastosowała swoje bio-nawozy z edytowanymi genami na dziesiątkach milionów hektarów amerykańskich gruntów rolnych – mówi dyrektor ds. technologii tej firmy, Travis Frey. Niektóre produkty Pivot Bio były również testowane w Kanadzie, Argentynie, Kenii i Brazylii.
Strategia firmy Pivot Bio polega na wyłączeniu genów, które sygnalizują mikroorganizmom, że powinny zaprzestać samodzielnej produkcji azotu, przy jednoczesnym zminimalizowaniu wpływu tych modyfikacji na sprawność bakteryjną. Frey twierdzi, że w testach terenowych zmodyfikowane mikroorganizmy firmy Pivot były w stanie zastąpić średnio 20–25% zwykłych dawek nawozów azotowych stosowanych w uprawach.
Same mikroorganizmy mogą nie wystarczyć
Specjaliści twierdzą, że w pracy nad rozowojem bionawozów potrzebne są różne podejścia dostosowane do warunków rolniczych na całym świecie. Okazuje się jednak, że dla zwiększenia skuteczności procesu same bakterie nie wystarczą, a modyfikacji genetycznej wymagać będą też rośliny. Naukowcy pracują też nad projektem modyfikacji genetycznej kukurydzy, aby była bardziej podatna na kolonizację przez bakterie wiążące azot.
Bionawozy w formie specjalni eprzystosowanych bakterii są więc obiecującym kierunkiem, ale ich przydatność w warunkach polowych wymaga szerszych i długotrwałych prób. Na obecnym etapie nie ma jeszcze podstaw, by traktować je jako gotowy zamiennik nawożenia mineralnego w gospodarstwach.
