I ricercatori hanno dimostrato che il meccanismo genetico responsabile della fissazione biologica dell’azoto può essere trasferito in nuovi ceppi di batteri, fornendo una comprensione più chiara di come questa caratteristica agricola cruciale si diffonde in natura e aprendo potenzialmente nuove strade per ridurre la dipendenza dell’agricoltura dai fertilizzanti sintetici azotati.
I risultati, pubblicati inBiologia attualeil 28 maggio, concentrati sulla rizobia selvatica-batteri del suolo che formano relazioni simbiotiche con colture di leguminose come piselli e fagioli. Questi batteri convertono l’azoto atmosferico in forme utilizzabili dalle piante, consentendo ai legumi di crescere con poco o nessun fertilizzante azotato esterno. Gli scienziati affermano che lo studio fa luce su come i geni che governano questa simbiosi possono essere acquisiti da linee batteriche che in precedenza non ne avevano la capacità, un passo fondamentale verso l’estensione della fissazione biologica dell’azoto ad altre colture.
Comprendere le basi genetiche della simbiosi
Lo studio, condotto da Angeliqua P. Montoya e colleghi, ha esaminato la genomica evolutiva delle relazioni endosimbiotiche emergenti nella rizobia selvatica. Monitorando il modo in cui i geni che fissano l'azoto-si spostano tra le popolazioni batteriche, i ricercatori sono riusciti a identificare i percorsi genetici che consentono ai batteri di stabilire collaborazioni di successo con le piante.
La fissazione dell'azoto nelle leguminose dipende da noduli radicali specializzati, dove la rizobia riceve carboidrati dalla pianta ospite in cambio di azoto fissato biologicamente. Sebbene questa relazione si sia evoluta naturalmente nel corso di milioni di anni, gli scienziati hanno a lungo cercato modi per replicare sistemi simili in colture non-leguminose.
La ricerca fornisce nuove prove del fatto che i tratti genetici richiesti per la simbiosi possono diffondersi attraverso i lignaggi batterici, suggerendo che l'evoluzione delle partnership per la fissazione dell'azoto potrebbe essere più flessibile di quanto si pensasse in precedenza. Tali scoperte potrebbero aiutare i ricercatori a identificare i prerequisiti genetici necessari per stabilire relazioni simili nei batteri associati alle colture di cereali.
Perché la svolta è importante per i mercati dei fertilizzanti
L’importanza della fissazione biologica dell’azoto si estende ben oltre la biologia vegetale. La maggior parte delle principali colture di base del mondo-tra cui grano, mais e riso-non sono in grado di fissare l'azoto atmosferico e pertanto dipendono fortemente dai fertilizzanti azotati prodotti attraverso il processo Haber-Bosch.
La produzione di ammoniaca, la base dei fertilizzanti azotati, è uno dei processi industriali a maggior consumo energetico-a livello globale e rimane altamente esposta ai costi del gas naturale, alle perturbazioni geopolitiche e alle restrizioni commerciali. La recente volatilità nei mercati dei fertilizzanti, comprese le preoccupazioni sull’offerta legate alle rotte marittime del Medio Oriente e ai controlli sulle esportazioni dai principali paesi produttori, ha rinnovato l’interesse per le tecnologie che potrebbero ridurre la dipendenza dall’azoto sintetico.
Se le colture di cereali potessero ottenere una quota significativa del loro fabbisogno di azoto attraverso la fissazione biologica, le implicazioni a lungo termine-per la domanda di fertilizzanti potrebbero essere sostanziali. Sebbene tale transizione sia ancora lontana, ha attirato investimenti significativi da parte di aziende di biotecnologia agricola, sviluppatori di input biologici e principali fornitori di nutrienti-per le colture alla ricerca di soluzioni di gestione-dei nutrienti più sostenibili.
Basandosi sui progressi precedenti
Il nuovo studio si aggiunge a un crescente corpus di ricerche volte a comprendere i meccanismi molecolari che governano la simbiosi microbica delle piante-. Precedenti indagini hanno identificato proteine vegetali specifiche, percorsi di segnalazione e risposte mediate dal calcio che determinano se le piante accettano o rifiutano i batteri che fissano l'azoto.
I ricercatori hanno già dimostrato modifiche-of-concettuali in piante modello e in alcune specie di cereali, compreso l'orzo, dimostrando che i componenti della rete di segnalazione simbiotica possono essere manipolati. Tuttavia, il raggiungimento di una fissazione dell’azoto affidabile ed economicamente significativa nelle principali colture di cereali rimane uno degli obiettivi più ambiziosi della scienza agraria.
I risultati di Current Biology forniscono una prospettiva complementare concentrandosi sul lato microbico della relazione, rivelando come le capacità di fissazione dell'azoto-emergono e si diffondono tra le popolazioni batteriche negli ambienti naturali.
La diffusione commerciale resta ancora lontana anni
Nonostante il progresso scientifico, i ricercatori avvertono che le applicazioni agricole pratiche rimangono un obiettivo a lungo-termine. Dimostrare il trasferimento genico e la capacità simbiotica nei sistemi batterici selvatici rappresenta un'importante pietra miliare scientifica, ma rimangono sfide significative prima che tali scoperte possano essere tradotte in prodotti commerciali.
Negli ultimi dieci anni il settore dei fertilizzanti biologici ha attirato ingenti capitali di rischio e investimenti aziendali, ma ha anche subito battute d’arresto poiché le aziende faticano a riprodurre in modo coerente i risultati di laboratorio in condizioni reali. Raggiungere una colonizzazione stabile, tassi di fissazione dell’azoto sufficienti e ritorni economici per i coltivatori rimane una sfida complessa.
Di conseguenza, è improbabile che gli ultimi risultati abbiano un impatto immediato sulla domanda di fertilizzanti. Contribuiscono invece a creare una base scientifica in crescita che potrebbe eventualmente supportare lo sviluppo di tecnologie microbiche di prossima-generazione progettate per integrare o sostituire parzialmente le applicazioni di azoto sintetico.
Prossimi passi per i ricercatori
La prossima fase della ricerca si concentrerà sulla possibilità di introdurre i meccanismi genetici identificati nella rizobia selvatica nelle specie batteriche che si associano naturalmente alle radici delle colture di cereali. Gli scienziati devono quindi determinare se queste comunità microbiche ingegnerizzate possono fornire abbastanza azoto fissato biologicamente per fornire benefici agronomici misurabili in condizioni di agricoltura commerciale.
Il successo rappresenterebbe un cambiamento importante nella nutrizione delle colture, consentendo potenzialmente agli agricoltori di ridurre l’uso di fertilizzanti mantenendo inalterate le rese. Per ora, tuttavia, il lavoro rimane un primo ma notevole passo verso uno degli obiettivi-più ambiti dell'agricoltura: consentire alle principali colture di cereali di accedere all'azoto attraverso partenariati biologici anziché affidarsi interamente ai fertilizzanti industriali.
