دانشمندان موفق شده‌اند با دستکاری ژنتیکی گندم، میکروب‌های خاک را وادار کنند تا نیتروژن هوا را به شکلی تبدیل کنند که برای گیاهان قابل استفاده باشد. این نوآوری می‌تواند نیاز به کودهای شیمیایی را کاهش دهد، هزینه‌های کشاورزان را پایین بیاورد و آلودگی محیط زیست را محدود کند، بدون آن‌که عملکرد محصول قربانی شود.
چگونه گندم می‌تواند کود خود را تولید کند؟
گیاهان اصلاح‌شده بیش از حد یک ترکیب طبیعی تولید می‌کنند و مازاد آن را به خاک نشت می‌دهند. این فرایند باعث تحریک میکروب‌های اطراف می‌شود تا نیتروژن را از هوا «ثابت» کرده و به شکل آمونیوم در اختیار گیاه قرار دهند.
تیمی از دانشگاه کالیفرنیا، دیویس به رهبری ادواردو بلوموالد با استفاده از فناوری CRISPR توانستند سطح یک متابولیت در گندم را افزایش دهند و اثر آن را در شرایط کمبود نیتروژن آزمایش کنند. این پژوهش در ادامه‌ی تحقیقات پیشین روی برنج انجام شد و اکنون تلاش‌ها برای گسترش آن به دیگر غلات نیز در جریان است.
هزینه‌های سنگین کود شیمیایی
کود نیتروژنی مصنوعی یکی از مهم‌ترین عوامل برداشت‌های عظیم کشاورزی در جهان است، اما بهای اقتصادی و زیست‌محیطی بسیار بالایی دارد.
- گندم به‌تنهایی حدود ۱۸ درصد از مصرف جهانی کود نیتروژنی را به خود اختصاص می‌دهد.
- گیاهان تنها ۳۰ تا ۵۰ درصد از کود مصرفی را جذب می‌کنند.
- باقی‌مانده وارد رودخانه‌ها و دریاها می‌شود و مناطق مرده‌ی کم‌اکسیژن ایجاد می‌کند یا به صورت اکسید نیتروژن، یک گاز گلخانه‌ای بسیار قوی، به هوا می‌رود.
برای کشاورزان خرد در کشورهای کم‌درآمد، هزینه و دسترسی به کود، چالشی جدی است.
بلوموالد می‌گوید:
«در آفریقا مردم از کود استفاده نمی‌کنند چون پول ندارند و مزارعشان کوچک است. حالا تصور کنید گیاهانی بکارید که به‌طور طبیعی میکروب‌های خاک را تحریک می‌کنند تا کود مورد نیازشان را تولید کنند. این یک تحول بزرگ است!»
راز میکروب‌ها و تثبیت نیتروژن
تثبیت نیتروژن توسط باکتری‌های ویژه‌ای انجام می‌شود که آنزیمی به نام نیتروژناز دارند. این آنزیم تنها در شرایط کم‌اکسیژن کار می‌کند. حبوباتی مانند لوبیا و نخود این مشکل را با ایجاد گره‌های ریشه‌ای حل می‌کنند، اما غلاتی مانند گندم فاقد چنین ساختاری هستند و ناچارند به کود شیمیایی تکیه کنند.
دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا به جای تلاش برای ایجاد گره‌های ریشه‌ای در غلات، مسیر دیگری را برگزیدند. آن‌ها بیش از ۲۸۰۰ ترکیب گیاهی را بررسی کردند و دریافتند موادی مانند فلاون‌ها می‌توانند میکروب‌های خاک را به ساخت بیوفیلم‌های محافظ تشویق کنند. این پوشش‌ها اکسیژن را کاهش می‌دهند و شرایط لازم برای فعالیت نیتروژناز را فراهم می‌سازند.
فعال‌سازی کود طبیعی با دستکاری ژنتیکی
با استفاده از CRISPR، دانشمندان توانستند تولید آپژنین (یک فلاون رایج) در گندم را افزایش دهند. گیاه مقدار لازم را مصرف کرد و اضافه‌ی آن را از طریق ریشه به خاک انتقال داد.
نتایج آزمایش خاک:
- آپژنین اضافی، باکتری‌ها را وادار به ساخت بیوفیلم کرد.
- این بیوفیلم‌ها از نیتروژناز محافظت کردند.
- نیتروژن تثبیت‌شده به شکل آمونیوم در دسترس گندم قرار گرفت.
- در شرایط کم‌باروری، گندم اصلاح‌شده عملکردی بهتر از گیاهان معمولی داشت.
کاهش آلودگی، افزایش تاب‌آوری
گسترش این روش می‌تواند ردپای کودی را در کشاورزی کاهش دهد و نتایج زیر را به همراه داشته باشد:
- کاهش ورود نیتروژن محلول به رودخانه‌ها و دریاها.
- کوچک‌تر شدن شکوفایی جلبکی و مرگ‌ومیر کمتر اکسیژن در اکوسیستم‌های آبی.
- کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از تولید کود شیمیایی.
- پایداری بیشتر عملکرد محصول در شرایط کمبود نهاده‌ها و افزایش هزینه‌ها.
میلیاردها دلار صرفه‌جویی
تنها در ایالات متحده، هزینه کود در سال ۲۰۲۳ حدود ۳۶ میلیارد دلار بود. غلات در این کشور نزدیک به ۵۰۰ میلیون جریب زمین را پوشش می‌دهند. حتی کاهش ۱۰ درصدی مصرف کود می‌تواند میلیاردها دلار صرفه‌جویی به همراه داشته باشد.
بلوموالد توضیح می‌دهد:
«اگر تنها ۱۰ درصد از کود مصرفی کاهش یابد، حداقل یک میلیارد دلار صرفه‌جویی سالانه خواهد داشت. این علاوه بر کاهش مصرف سوخت و فشار کمتر بر خاک است.»
چالش‌ها و آینده
راه رسیدن از گلخانه تا مزارع گسترده هنوز طولانی است. پژوهشگران باید نشان دهند که این فناوری در خاک‌ها و اقلیم‌های مختلف پایدار است و عملکرد کیفی و کمی محصول را حفظ می‌کند.
از آن‌جا که این ویرایش ژنتیکی سطح یک متابولیت طبیعی را بالا می‌برد و ژن خارجی وارد نمی‌کند، مسیر قانونی در برخی کشورها ممکن است ساده‌تر باشد. با این حال، نیاز به داده‌های شفاف درباره پیامدهای زیست‌محیطی، صرفه‌جویی در کود و بازگشت سرمایه وجود دارد.
جمع‌بندی
اگر نتایج در مقیاس مزرعه هم پایدار بماند، غلات ویرایش ژنتیکی‌شده مانند گندم می‌توانند به کارخانه‌های زنده تولید کود تبدیل شوند. این فناوری:
- هزینه‌ها را برای کشاورزان کاهش می‌دهد
- آلودگی آب و هوا را محدود می‌کند
- تاب‌آوری کشاورزی را در جهان گرم‌تر آینده افزایش می‌دهد
این مطالعه در مجله Plant Biotechnology Journal منتشر شده است.
اگر به آینده کشاورزی پایدار، کاهش وابستگی به کود شیمیایی و استفاده از فناوری‌های نوین علاقه‌مندید، این پژوهش نقطه‌ی آغاز تحولی بزرگ است. آینده‌ی کشاورزی می‌تواند سبزتر، ارزان‌تر و سالم‌تر باشد.
