בשנות השמונים חיפש האוורד-יאנה שפירו, כיום קצין החקלאות הראשי במאדים, התאגיד, אחר סוגים חדשים של תירס. הוא היה במחוז מיקס באוקסאקה בדרום מקסיקו, האזור בו התפתחו לראשונה מבשרי התירס (aka תירס), כאשר איתר את חלק מהתירס המוזר ביותר שנראה אי פעם. לא רק שגובהו 20 עד 20 מטרים, גמד את החומר שגודלו 12 מטרים בשדות אמריקאים, לקח לו שש עד שמונה חודשים להתבגר, הרבה יותר משלושת החודשים הדרושים לתירס קונבנציונאלי. עם זאת הוא צמח לגבהים המרשימים במה שניתן לכנות באופן אדיר עניים, ללא שימוש בדשנים. אבל החלק המוזר ביותר של התירס היה שורשיו האוויריים - בליטות ירוקות וצבעי ורדים, כמו אצבעות בולטות מתוך גבעול התירס נוטף ג'ל צלול וסירופי.
שפירא חשד כי אותן אצבעות ריריות עשויות להיות הגביע הקדוש של החקלאות. הוא האמין כי השורשים אפשרו למגוון ייחודי זה של תירס, המכונה סיירה מיקס ומגדל באופן מקומי במשך מאות ואף אלפי שנים, לייצר חנקן משלו, חומר מזין חיוני לגידולים המיושמים בדרך כלל כדשן בכמויות אפיות.
הרעיון נראה מבטיח, אך ללא כלים של DNA לבדוק את הפרטים האישיים של האופן בו התירס מייצר חנקן, הגילוי נגנז. כמעט שני עשורים לאחר מכן, בשנת 2005, החל אלן בנט מאוניברסיטת קליפורניה, דייוויס - יחד עם שפירו וחוקרים אחרים - להשתמש בטכנולוגיה מתקדמת כדי לבדוק את תכונות קיבוע החנקן של תירס הליחה, ומצא שאכן, חיידקים החיים בריר שלפו חנקן מהאוויר והעבירו אותו לצורה שהתירס יכול היה לספוג.
כעת, לאחר למעלה מעשור של מחקר שדה וניתוח גנטי, הצוות פרסם את עבודותיהם בכתב העת PLOS Biology. אם ניתן היה לגדל את תכונת קיבוע החנקן לתירס קונבנציונאלי, ולאפשר לו לייצר אפילו חלק מחנקן משלו, הוא יכול היה להפחית את עלות החקלאות, להפחית את פליטת גזי החממה ולעצור את אחד המזהמים העיקריים באגמים, נהרות ו אוקיינוס. במילים אחרות, זה יכול להוביל למהפכת חנקן שנייה.
הייצור הסינטטי של חנקן עשוי להיות ההישג הגדול ביותר של המאה העשרים. הגילוי של תהליך הבר-בוש ושיכלוליו, בו מפוטרים חנקן מהאוויר תחת חום ולחץ גבוה בנוכחות זרז, הביא לשלושה פרסי נובל נפרדים. והם ראויים היטב. ההערכה היא כי התשואות של היבול היו יותר ממכפילות בין 1908 ל -2008, כאשר דשן חנקן סינטטי אחראי לכמחצית הגידול הזה. יש חוקרים שקשרו את הגידול העצום באוכלוסיית בני האדם בשבעים השנים האחרונות לשימוש מוגבר בדשן חנקן. בלעדיו היינו צריכים לחוות אדמות כמעט פי ארבע או להחזיק מיליארדי פחות אנשים בעולם.
אבל לייצור כל החנקן הזה יש השלכות. ההערכה היא כי ייצור דשן באמצעות תהליך הבר-בוש משתמש בין 1 ל -2 אחוזים מהאנרגיה בעולם, ופולט הרבה גזי חממה. וחנקן סינטטי שוטף שדות דרך נתיבי מים, מה שמוביל לפריחת אצות מסיבית המונקת את כל החמצן, והורגת דגים ואורגניזמים אחרים. כל כך הרבה חנקן נכנס לנהרות ונחלים שהתפתחו אזורים גדולים ומתים בפתחי נהרות העולם, כולל אחד במפרץ מקסיקו שהיה בשנה שעברה בגודל של ניו ג'רזי. מארק סאטון מהמרכז הבריטי לאקולוגיה והידרולוגיה מכנה חנקן "הסנדק של הזיהום" - ההשפעות שלו קיימות בכל מקום, אך לעולם אינך רואה את האשם.
חוקרים אף השתילו את התירס למדיסון, ויסקונסין, וגילו שהוא עדיין מסוגל לייצר חנקן משלו מהסביבה המקומית. (צילום: ז'אן-מישל אנה) אך איננו יכולים פשוט להפסיק את החנקן מבלי לראות הפחתות משמעותיות בחקלאות. אמנם שיטות ניהול וחקלאות טובות יותר יכולות לעזור להרחיק את נתיבי המים, אך אסטרטגיות אלה אינן מספיקות כדי לתקן את הבעיות האקולוגיות של החנקן. זו הסיבה שחוקרים תהו במשך עשרות שנים אם יש דרך לעזור לגידולי דגנים כמו תירס וחיטה לייצר חנקן משלהם.
הרעיון לא מופרך כמו שהוא נשמע. הרבה צמחים, בעיקר קטניות כמו פולי סויה, בוטנים ותלתן, הם בעלי יחסים סימביוטיים עם חיידקי Rhizobium, המייצרים עבורם חנקן. הצמחים מגדלים גושים שורשיים שבהם החיידקים מתיישבים ולוגמים מסוכרים מהצומח תוך כדי המרת חנקן באוויר לצורה שהצמחים יכולים להשתמש בהם. אם ניתן היה למצוא קשר סימביוטי דומה שפועל בגידולי דגנים כמו תירס וחיטה, החוקרים מאמינים שנוכל להפחית את השימוש שלנו במזהם.
בגלל זה תירס הריר כל כך חשוב, ומדוע בנט וצוותו בילו שמונה שנים בחקר ובחקר מחדש של החיידקים והג'ל בכדי לשכנע את עצמם שהתירס אכן הצליח לייצר חנקן משלו. בעזרת רצפי DNA, הם הצליחו להראות את החיידקים בגנים שנשאו רפש לקיבוע חנקן והדגימו לג'ל את הפרשות התירס, שהוא סוכר גבוה וחמצן דל, נועד בצורה מושלמת לעודד קיבוע חנקן. בעזרת חמש בדיקות שונות הראו כי החנקן המיוצר על ידי החיידקים עשה את דרכו לתירס, וסיפק 30 עד 80 אחוז מצרכי הצמח. לאחר מכן הם ייצרו גרסה סינתטית של הרפש והזרעו אותה עם החיידקים, וגילו שהם ייצרו גם חנקן באותה סביבה. הם אפילו גידלו את סיירה מיקס בדייויס, קליפורניה, ומדיסון, ויסקונסין, והראו כי הוא יכול לבצע את הטריק המיוחד שלו מחוץ לדשא הביתי שלו במקסיקו.
"מנגנון זה שונה לחלוטין ממה שקטניות משתמשות", אומר בנט, והוסיף שהוא עשוי להתקיים גם בגידולים אחרים. "בהחלט ניתן להעלות על הדעת כי סוגים דומים של מערכות קיימים בדגנים רבים. לסורגום, למשל, שורשים אוויריים וריריות אוויר. אולי לאחרים יש מנגנונים עדינים יותר המתרחשים מתחת לאדמה שיכולים להתקיים בצורה רחבה יותר. עכשיו כשאנחנו מודעים, אנחנו יכולים לחפש אותם. "
המחבר המשותף ז'אן מישל-אן מאוניברסיטת ויסקונסין, מדיסון, מסכים כי תגלית זו פותחת בפני כל סוגי האפשרויות החדשות. "תירס הנדסי לקיבוע חנקן ויצירת גושי שורש כמו קטניות היה חלום ומאבק של מדענים זה עשרות שנים. מסתבר שהתירס הזה פיתח דרך שונה לחלוטין לפתור את בעיית קיבוע החנקן הזו. הקהילה המדעית כנראה העריכה את קיבוע החנקן בגידולים אחרים בגלל האובססיה שלה עם נודולי שורש, "הוא אומר בהצהרה. "התירס הזה הראה לנו שהטבע יכול למצוא פתרונות לבעיות מסוימות הרבה מעבר למה שמדענים יכלו לדמיין אי פעם."
מסתבר שלטבע יש טריקים שמייצרים יותר חנקן עוד יותר את שרוול שרק החוקרים משיגים אותה. ישנם עוד כמה פרויקטים מתמשכים שמטרתם לגרום לגידולי דגנים וירקות לעשות עבורנו את הבר-בוש. אחד המבטיחים ביותר הוא השימוש באנדופיטים, או במיקרואורגניזמים כמו חיידקים ופטריות החיים בחללים הבין תאיים של צמחים. החוקרת מאוניברסיטת וושינגטון, שרון דוטי, התעניינה באורגניזמים לפני כמה עשורים. היא בחנה עצי ערבה וערוצים, שהם בין העצים הראשונים שצומחו על אדמה מופרעת לאחר אירועים כמו התפרצות געשית, שיטפונות או מפל סלע. עצים אלה צמחו מתוך חצץ נהר, כמעט ללא גישה לחנקן באדמה. עם זאת, בתוך הגבעולים שלהם, דוטי מצא אנדופיטים שקיבעו את החנקן לעצים, לא היו צורך בקשרי שורשים. מאז, היא הקניטה עשרות זני אנדופיטים שונים, שרבים מהם עוזרים לצמחים בדרכים מפתיעות. חלקם מייצרים חנקן או זרחן, אחר מזין חשוב, בעוד שאחרים משפרים את גידול השורשים וחלקם מאפשרים לצמחים לשרוד בצורת או בתנאי מלח גבוהה.
"יש [שלל שלם של חיידקים שונים שיכולים לתקן חנקן ומגוון רחב של מיני צמחים המושפעים מהם", היא אומרת. הבדיקות שלה הראו כי החיידקים יכולים להכפיל את הפריון של צמחי פלפל ועגבנייה, לשפר את גידול האורז ולהעביר סובלנות לבצורת לעצים כמו אשוחי דגלאס. חלקם אף מאפשרים לעצים וצמחים לשאוב ולפרק מזהמים תעשייתיים וכעת הם משמשים לניקוי אתרי סופרפונד. "היתרון בשימוש באנדופיטים הוא שמדובר בקבוצה גדולה באמת. מצאנו זנים שעובדים עם אורז, תירס, עגבניות, פלפלים וצמחי יבול אחרים החשובים בחקלאות. "
למעשה, אנדופיטים עשויים להפוך את זה לידי החקלאים במוקדם ולא במאוחר. ה- IntrinsyxBio של לוס אלטוס, קליפורניה, ממסחר כמה מהאנדופיטים של דוטי. קצין המדע הראשי ג'ון ל. פרימן אומר בריאיון כי החברה נמצאת בדרך למוצר שיהיה מוכן לשוק בשנת 2019. המטרה היא לספק כמה זנים של אנדופיטים לצמחים, ככל הנראה על ידי ציפוי הזרעים. לאחר שהחיידקים האלה יתגוררו בתוך הצמח, עליהם לשאוב כ- 25 אחוז מהחנקן שהוא זקוק לו.
חברת ביוטק אחרת, בשם Pivot Bio, הודיעה לאחרונה כי היא בוחנת בטא פיתרון דומה, תוך שימוש בחיידקים מקבעים חנקן הצומחים במערכות השורש של התירס.
התחום המתהווה החדש של הביולוגיה הסינתטית לוקח סדק בעיית החנקן. ג'ו ביו (Boston), שהוקמה בבוסטון, הוקמה בספטמבר האחרון, היא פרוייקט משותף בין באייר לגינקו ביו-בורקס, חברת ביוטק עם ניסיון ביצירת שמרים וחיידקים בהתאמה אישית לתעשיית המזון והטעם, בין פרויקטים אחרים של "מיקרובי מעצבים". ג'וין מסרק כיום דרך הספרייה של באייר המונה מעל 100, 000 חיידקים כדי למצוא מארח שיכול להצליח ליישב צמחים, בדומה לאנדופיטים של דוטי. ואז הם מקווים לצבוט את "מארז המארח" הזה עם גנים שיאפשרו לו לתקן חנקן. "במקום להסתמך על הטבע ולמצוא חיידק קסם, שלדעתנו לא קיים, אנחנו רוצים למצוא את החיידק המארח שלנו ולהתאים אותו לכדי לעשות את מה שאנחנו צריכים כדי לעשות עבור תירס או חיטה, " אומר מנכ"ל ג'וין, מייקל מייל. .
קרן גייטס נמצאת גם היא במשחק, תומכת בפרויקטים שמנסים להעביר את יכולות קיבוע החנקן של קטניות לדגנים. צוותים אחרים מקווים כי הופעתם של מחשוב קוונטי-מוטור-על תפתח תחומי כימיה חדשים ותזהה זרזים חדשים שיהפכו את תהליך הבר-בוש ליעיל בהרבה.
אמנם אין זה סביר כי פיתרון אחד בלבד יוכל להחליף 100 אחוז מהדשן הסינטטי שאנשים משתמשים בו, אך יחד יחד יכולים פרויקטים אלה לגרום לשקע רציני בזיהום החנקן. בנט מקווה שסיירה מיקס ומה שהקבוצה שלו למדה ממנו יהיו חלק ממהפכת החנקן, אם כי הוא מודה שזו קפיצה ארוכה מאוד לפני שאצבעות התירס הדלילות שלו יתחילו לייצר חנקן בגידולים קונבנציונליים. כעת הוא מעוניין לזהות את הגנים המייצרים את שורשי האוויר ולהתווכח אילו מבין אלפי החיידקים שהתגלו ברירית למעשה מקבעים את החנקן.
"אני חושב שמה שאנחנו עושים יכול להיות משלים לגישות [אנדויפט וביולוגיה סינתטית]", הוא אומר. "אני חושב שנראה הרבה אסטרטגיות שונות ומגוונות, ובעוד 5 עד 10 שנים ייצא משהו שמשפיע על איך התירס משיג חנקן."
הערת העורך 15/8/18: טיוטה קודמת של מאמר זה כתבה שגוי בשמו של ג'ון ל. פרימן ואי זיהתה שגויה של החברה הנוכחית שלו.
