Jak pokonać globalny kryzys żywieniowy? Badania nad kukurydzą mogą pomóc rozwikłać tę zagadkę

Przełom w uprawie żywności – jest pomysł jak pokonać kryzys żywieniowy

Naukowcy z Uniwersytetu Nebraski w Lincoln postanowili zbadać, w jaki sposób kukurydza przystosowuje się do niedoboru azotu w glebie. Wyselekcjonowali geny, które pomogą utrzymać wzrost roślin na wysokim poziomie bez konieczności stosowania nawozów. To może pozwolić zahamować globalny kryzys żywieniowy.

Wzrost kukurydzy w dużej mierze zależy od tego, ile roślina pobierze składników odżywczych przez korzenie, dlatego badania nad metabolizmem w warunkach stresu są ważnym tematem badań. Nawozy azotowe mają znaczący wpływ na klimat, ale ograniczenie ich stosowania może mieć negatywny wpływ na plony.

Jednym z krytycznych aspektów uprawy każdego produktu rolnego jest to, ile potrzebnych mikroelementów może on otrzymać z gleby. Chodzi o to, aby zrozumieć, co się dzieje, gdy roślina musi rosnąć w warunkach niedoboru azotu lub stresu. Jakiego rodzaju zmiany zachodzą w roślinie? Jeśli uda nam się to lepiej zrozumieć, to czy będziemy w stanie wprowadzić pewne zmiany, aby rośliny mogły przetrwać, a nawet rozwijać się, pobierając mniejsze ilości azotu?

Rajib Saha, adiunkt inżynierii chemicznej i biomolekularnej z Uniwersytetu Nebraski w Lincoln

Zespół Sahy stworzył model metaboliczny korzenia kukurydzy w skali genomu, aby zbadać efektywność wykorzystania azotu w warunkach stresu.

Jeśli nie ma wystarczającej ilości azotu, intuicyjnie spodziewamy się, że korzeń powinien sięgnąć głębiej, aby pozyskać więcej azotu.

Niaz Bahar Chowdhury, jeden z członków zespołu badawczego

Opracowany model faktycznie to potwierdził – dłuższą i bardziej wytrzymałą biomasę korzeni, ponieważ roślina poszukiwała potrzebnego jej azotu. To inna reakcja niż w przypadku pozostałych części rośliny, które zwykle marnieją przy niedoborze składników odżywczych.

Kiedy roślina przeznacza tak wiele zasobów na wzrost korzeni, odbywa się to kosztem reszty rośliny. Na koniec dnia zasoby są ograniczone. Roślina może przetrwać, ale może stracić na wydajności. Jaki jest punkt krytyczny? Jak możemy sprawić, że roślina będzie mogła rozwijać swój korzeń w taki sposób, że nadal będzie miała wystarczająco dużo energii, aby wyrosły pędy, a plon nie ucierpi?

Rajib Saha

Rekonstrukcja i symulacja całej sieci metabolicznej zakodowanej w danym gatunku, tak jak to zrobił zespół Sahy, to tzw. skala genomu, ponieważ badacze starają się uwzględnić wszystkie enzymy w sekwencjonowanym genomie danego gatunku. Naukowcy z Nebraski wyróżnili osiem lipidów i dwa metabolity, które odgrywają najważniejszą rolę w zwiększonym wzroście korzeni, jaki ma miejsce w warunkach niedoboru azotu.

Rajib Saha i Niaz Bahar Chowdhury

Sieć korzeni kukurydzy powstała w oparciu o pracę, którą Saha wykonał jako student na Penn State, gdzie zbudował podobny model, ale dla liści kukurydzy. Następnym krokiem będzie opracowanie modelu dla całej rośliny kukurydzy – korzenia, pędu, liścia i nasion.

Naukowcy powinni być w stanie dostosować ekspresję genów i poziom metabolizmu, aby jeszcze lepiej ocenić reakcję roślin i poprawić ich wzrost w warunkach stresu żywieniowego. Modelowanie korzeni kukurydzy może również pomóc naukowcom w badaniu wpływu innych czynników stresowych, np. niedoboru fosforanów, zasolenia, stresu cieplnego, suszy czy stresu wywołanego metalami ciężkimi.