I 1980'erne var Howard-Yana Shapiro, nu chef for landbruget hos Mars, Incorporated, på udkig efter nye slags majs. Han var i Mixes-distriktet i Oaxaca i det sydlige Mexico, det område, hvor forløberne til majs (alias korn) først udviklede sig, da han lokaliserede noget af det underligste majs nogensinde set. Ikke kun var det 16 til 20 fod højt, dværgede 12-fods-tingene i amerikanske felter, det tog seks til otte måneder at modne, langt længere end de 3 måneder, der var nødvendige for konventionel majs. Alligevel voksede den til de imponerende højder i hvad der velegnende kan kaldes dårlig jord, uden brug af gødning. Men den underligste del af majs var dens luftrødder - grønne og rosefarvede, fingerlignende fremspring stikker ud af majsstængel, dryppende med en klar, sirupagtig gel.
Shapiro havde mistanke om, at disse slimhindefingre muligvis er landbrugets hellige gral. Han mente, at rødderne gjorde det muligt for denne unikke sort majs, kaldet Sierra Mixe og lokalt avlet gennem hundreder eller endda tusinder af år, at fremstille sit eget kvælstof, et vigtigt næringsstof til afgrøder, der normalt anvendes som gødning i episke mængder.
Ideen virkede lovende, men uden DNA-værktøjer til at undersøge detaljerne i, hvordan majsen producerede nitrogen, blev opdagelsen skrinlagt. Næsten to årtier senere, i 2005, begyndte Alan B. Bennett fra University of California, Davis - sammen med Shapiro og andre forskere - ved hjælp af avanceret teknologi til at undersøge kvælstoffikseringsegenskaberne for den flegmyiske majs og konstatere, at bakterier, der levede i slimet, trak nitrogen fra luften og transmitterede det til en form, som majs kunne absorbere.
Nu, efter over et årti med feltundersøgelser og genetisk analyse, har teamet offentliggjort deres arbejde i tidsskriftet PLOS Biology. Hvis den kvælfiksfunktion, der kunne opdrættes til konventionel majs, tillader, at den producerer endda en del af sit eget kvælstof, kunne det reducere landbrugsomkostningerne, reducere drivhusgasemissionerne og standse en af de største forurenende stoffer i søer, floder og ocean. Med andre ord, det kunne føre til en anden nitrogenrevolution.
Den syntetiske produktion af nitrogen er måske den største præstation i det 20. århundrede. Opdagelsen af Haber-Bosch-processen og dens forfininger, hvori nitrogen strippes ud af luften under høj varme og tryk i nærværelse af en katalysator, har ført til tre separate Nobelpriser. Og de er velfortjent. Det anslås, at afgrøderne er mere end fordoblet mellem 1908 og 2008, med syntetisk kvælstofgødning, der er ansvarlig for op til halvdelen af denne vækst. Nogle forskere har bundet den enorme vækst i den menneskelige befolkning i de sidste halvfjerds år til den øgede anvendelse af kvælstofgødning. Uden det ville vi skulle dyrke næsten fire gange så meget jord eller have milliarder af færre mennesker i verden.
Men at producere alt dette nitrogen får konsekvenser. Det anslås, at produktion af gødning via Haber-Bosch-processen bruger mellem 1 og 2 procent af verdens energi og afgiver masser af drivhusgasser. Og syntetisk nitrogen vasker rutinemæssigt markerne i vandveje, hvilket fører til massive algeopblomstringer, der suger op alt ilt og dræber fisk og andre organismer. Så meget nitrogen går i floder og vandløb, at der har udviklet sig store døde zoner ved mundingen af verdens floder, inklusive en i den Mexicanske Golf, der sidste år var størrelsen på New Jersey. Mark Sutton fra Det Forenede Kongeriges Center for Økologi og Hydrologi kalder nitrogen “Faderen for forurening” - dets virkninger er overalt, men du ser aldrig rigtig den skyldige.
Forskere transplanterede endda majs til Madison, Wisconsin, og fandt, at det stadig var i stand til at fremstille sit eget kvælstof ud af sit oprindelige miljø. (Foto: Jean-Michel Ané) Men vi kan ikke bare stoppe nitrogen uden at se store reduktioner i landbruget. Selvom bedre forvaltning og landbrugspraksis kan hjælpe med at holde det ude af vandveje, er disse strategier ikke nok til at løse kvælens økologiske problemer. Derfor har forskere i årtier undret sig over, om der var en måde at hjælpe kornafgrøder som majs og hvede med at producere deres eget kvælstof.
Ideen er ikke så langt hentet, som den lyder. Masser af planter, især bælgfrugter som sojabønner, jordnødder og kløver, har et symbiotisk forhold til Rhizobium-bakterier, der producerer nitrogen til dem. Planterne dyrker rodknudler, hvor bakterierne tager ophold og nipper til plantesukker, mens de omdanner kvælstof i luften til en form, som planterne kan bruge. Hvis der kunne findes et lignende symbiotisk forhold, der fungerer i kornafgrøder som majs og hvede, mener forskere, at vi kunne reducere vores brug af det forurenende stof.
Derfor er slimkornet så vigtigt, og hvorfor Bennett og hans team brugte otte år på at studere og undersøge bakterier og gel for at overbevise sig om, at kornet faktisk var i stand til at fremstille sit eget kvælstof. Ved hjælp af DNA-sekventering var de i stand til at vise mikroberne i de slamførte gener til fixering af nitrogen og demonstrerede gelen, at majsudskillelserne, som er højt sukker og lavt ilt, er perfekt designet til at tilskynde til nitrogenfiksering. Ved hjælp af fem forskellige test viste de, at nitrogenet, der blev produceret af mikroberne, derefter kørte sig ind i majs, hvilket gav 30 til 80 procent af plantens behov. De producerede derefter en syntetisk version af slemmet og podede det sammen med mikroberne, idet de fandt, at de også producerede nitrogen i dette miljø. De dyrkede endda Sierra Mixe i Davis, Californien og Madison, Wisconsin, hvilket viste, at det kunne udføre sit specielle trick uden for sit hjemgræs i Mexico.
"Denne mekanisme er helt forskellig fra, hvad bælgplanter bruger, " siger Bennett og tilføjer, at den også kan findes i andre afgrøder. ”Det kan helt sikkert tænkes, at der findes lignende systemtyper i mange korn. Sorghum har for eksempel luft rødder og slimhinde. Måske har andre mere subtile mekanismer, der forekommer under jorden, der kunne eksistere mere vidtgående. Nu hvor vi er opmærksomme, kan vi kigge efter dem. ”
Medforfatter Jean Michel-Ane fra University of Wisconsin, Madison, er enig i, at denne opdagelse åbner for alle typer nye muligheder. ”Ingeniørkorn til at fikse nitrogen og danne rodknoller som bælgplanter har været en drøm og kamp for forskere i årtier. Det viser sig, at denne majs udviklede en helt anden måde at løse dette kvælstoffikseringsproblem på. Det videnskabelige samfund undervurderede sandsynligvis nitrogenfiksering i andre afgrøder på grund af sin besættelse af rodknudler, ”siger han i en erklæring. ”Denne majs viste os, at naturen kan finde løsninger på nogle problemer langt ud over, hvad forskere nogensinde kunne forestille sig.”
Det viser sig, at naturen har endnu flere nitrogenproducerende tricks op i ærmet, som forskere lige får fat på. Der er flere andre igangværende projekter, der sigter mod at få korn- og grøntsagsafgrøder til at gøre Haber-Bosching for os. En af de mest lovende er brugen af endofytter eller mikroorganismer som bakterier og svampe, der lever i planternes intercellulære rum. University of Washington-forsker Sharon Doty blev interesseret i organismerne for et par årtier siden. Hun studerede pil- og poppeltræer, som er blandt de første træer, der vokser på forstyrret jord efter begivenheder som et vulkanudbrud, oversvømmelser eller stenfald. Disse træer voksede ud af flodgrus med næsten ingen adgang til nitrogen i jorden. Inde i deres stængler fandt Doty imidlertid endofytter, der fik fikseret kvælstof til træerne, ingen rodknudler var nødvendige. Siden da drillede hun snesevis af forskellige endofytstammer, hvoraf mange hjælper planter på overraskende måder. Nogle producerer kvælstof eller fosfor, et andet vigtigt næringsstof, mens andre forbedrer rodvækst og nogle tillader planter at overleve i tørke eller høje saltforhold.
”Der [er] en hel række forskellige mikrober, der kan fikse nitrogen og en lang række plantearter påvirket af dem, ” siger hun. Hendes test har vist, at mikroberne kan fordoble produktiviteten af peber og tomatplanter, forbedre væksten i ris og give tørke tolerance over for træer som Douglas graner. Nogle tillader endda træer og planter at suge op og nedbryde industrielle forurenende stoffer og bruges nu til at rydde Superfund-steder. ”Fordelen ved at bruge endofytter er, at det er en rigtig stor gruppe. Vi har fundet stammer, der fungerer med ris, majs, tomater, peberfrugter og andre landbrugsmæssigt vigtige afgrøder. ”
Faktisk kan endofytter gøre det i landmændenes hænder før snarere end senere. Los Altos, Californien-baserede IntrinsyxBio kommercialiserer nogle af Dotys endofytter. Chief Science Officer John L. Freeman siger i et interview, at virksomheden er på vej til at have et produkt klar til markedsføring i 2019. Målet er at levere flere stammer af endofytter til planter, mest sandsynligt ved at overtrække frøene. Når disse bakterier er bosiddende inde i planten, bør de pumpe ud cirka 25 procent af det nitrogen, det har brug for.
Et andet biotekvirksomhed, kaldet Pivot Bio, annoncerede for nylig, at det er beta-testning af en lignende løsning ved hjælp af nitrogenfikserende mikrober, der vokser i rodsystemerne i majs.
Det nyopståede felt inden for syntetisk biologi tager også en knæk i kvælstofproblemet. Boston-baserede Joyn Bio, der blev dannet i september sidste år, er et co-projekt mellem Bayer og Ginkgo Bioworks, et bioteknologisk firma med erfaring med at skabe brugerdefinerede gær og bakterier til fødevare- og smagsindustrien, blandt andre “designer microbe” -projekter. Joyn kæmper i øjeblikket gennem Bayers bibliotek på over 100.000 mikrober for at finde en vært, der med succes kan kolonisere planter, svarende til Dotys endofytter. Så håber de at finpudse det "værtchassis" med gener, der giver det mulighed for at fikse nitrogen. "I stedet for at stole på naturen og finde en magisk mikrobe, som vi ikke tror, at der findes, vil vi finde vores værtsmikrob og finjustere den til at gøre, hvad vi har brug for den til at gøre for majs eller hvede, " siger Joyn CEO Michael Miille .
Gates Foundation er også med på spillet og støtter projekter, der forsøger at give bælgplanter kvælstoffikseringsevne til korn. Stadig andre hold håber, at fremkomsten af supercharged quantum computing vil åbne nye kemiske verdener og identificere nye katalysatorer, der vil gøre Haber-Bosch-processen meget mere effektiv.
Selvom det er usandsynligt, at en løsning alene kan erstatte 100 procent af den syntetiske gødning, som mennesker bruger, kan disse projekter måske sammen gøre en alvorlig bukke i nitrogenforurening. Bennett håber, at Sierra Mixe og hvad hans team har lært af det, vil være en del af nitrogenrevolutionen, selvom han indrømmer, at det er et meget langt spring, før hans slimede majsfingre begynder at producere kvælstof i konventionelle afgrøder. Han ønsker nu at identificere de gener, der producerer luftens rødder og fastlægge, hvilken af de tusinder af mikrober, der er opdaget i slimhinden, rent faktisk fikserer kvælstof.
”Jeg tror, hvad vi laver, kunne være komplementære til disse [endoyphte- og syntetiske biologiske] tilgange, ” siger han. "Jeg tror, vi vil se mange forskellige strategier, og om 5 til 10 år vil der dukke op noget, der påvirker, hvordan majs får kvælstof."
Redaktørens note 8/15/18: Et tidligere udkast til denne artikel stavede John L. Freeman navn og fejlagtigt identificerede hans nuværende firma.
