Samtalen mellem planter og jord

Til et barn, jord er bare snavs - et hjem for orme. Til en gartner, jord er en samling af organisk stof og næringsstoffer. Men til planter, jord er et arnested for kemisk aktivitet. Og planter observerer ikke bare, de deltager aktivt i denne aktivitet.

Planter frigiver kemikalier i jorden, kaldes ekssudater, der fortæller mikrober at tænde eller slukke visse kemiske processer. Forskere begynder at forstå disse signaler og håber at udnytte dem for at forbedre effektiviteten, bæredygtighed og miljøpåvirkning af landbrugsindustrien i billioner dollar.

De tre vigtigste næringsstoffer, planter har brug for at vokse, er kulstof, nitrogen og fosfor. En plantes behov for kulstof kommer fra luft i form af kuldioxid, men nitrogen- og fosforbehovet kommer fra jorden, og ofte er nitrogen det element i den korteste forsyning naturligt - og for at øge deres udbytte, landmænd tilføjer nitrogen til jorden.

Kunstig nitrogengødning er en vigtig komponent i et landbrugssystem, der fodrer mere end 7 milliarder mennesker, men det kommer med en enorm miljøomkostning. Når befolkningen vokser, og efterhånden som fodringsvanerne ændrer sig til mere kødbaseret kost, kvælstofforurening ser ud til at blive endnu mere et problem.

Bekæmpelse af kvælstofforurening

"I hvilket omfang vi har blandet os med kvælstofcyklussen globalt er forbløffende, "siger professor Herbert Kronzucker, leder af University of Melbourne's School of BioSciences.

"210 millioner tons kvælstof om året tages fra atmosfæren og forvandles til en fast form for kvælstof gennem menneskelige aktiviteter. Og det meste af dette ender som gødning i landbrugsjord.

"Men mindre end halvdelen af ​​dette kan faktisk fanges af planter. Resten går tabt i atmosfæren som nitrogengas eller drivhusgassen lattergas, eller udvaskes i vandveje, hvor det er et stort forurenende stof.

"I USA, mere end halvdelen af ​​alle søer er hårdt påvirket af for meget nitrogen eller fosfor. "

Men hvad hvis i stedet for at tilføre mere og mere nitrogen til jorden, hjælper vi planter med bedre at bruge det nitrogen, der allerede er der?

Professor Kronzucker og hans kolleger ved University of Toronto, Laval University og det kinesiske videnskabsakademi leder efter afgrøder, der kommunikerer med jorden på en måde, der reducerer deres nitrogenbehov.

"Vi blev interesseret i forholdet mellem kemikalier fra planter og den indvirkning, disse har på jordmikrober, "siger professor Kronzucker.

Menneskelig indblanding

Kvælstof har mange kemiske former. De mest nyttige former for plantevækst er nitrat (NO3-) og ammoniak (NH3). Kemiske processer i jorden omdanner nitrogen mellem disse og andre former.

Et eksempel er en proces kaldet nitrifikation, som gør ammoniak til nitrat. Nitrat er problematisk i jorden, fordi, mens planter elsker det, det hænger ikke fast som ammoniak gør. Det har en tendens til at opløses i vand og skylles ud af jorden gennem regn og grundvand. Også, jordmikrober gør nitrat til nitrogengas, som er ubrugelig for planter.

Alle disse processer er reversible, og til sidst returneres nitrogengas til jorden gennem en anden mikrobiel proces kaldet nitrogenfiksering, men denne proces er for langsom for industrielle landbrugssystemer. Landmænd skal blive ved med at tilføre mere og mere nitrogen, og normalt er dette i form af kunstig nitrogengødning.

Disse gødninger fremstilles ved hjælp af en energiintensiv industriel proces, der 'fikserer' nitrogengas ved at omdanne den til ammoniak. Denne proces, kaldet Haber-Bosch-processen, var en vigtig faktor i den grønne revolution, der begyndte i 1960'erne og nu giver mad til mere end 7 milliarder mennesker.

I de seneste år, menneskelig aktivitet har mere end fordoblet mængden af ​​nitrogen, der kommer ind i jordens jord. Og halvdelen af ​​dette ekstra nitrogen er spildt. Men professor Kronzucker siger, at det ikke behøver at være sådan.

Planter, der vokser i områder med lav eller intermitterende nitrogentilgængelighed, producerer ekssudater, der kan blokere eller forbedre jordens nitrogentransformationer for at forbedre nitrogenoptagelsen, når jordens nitrogentilgængelighed er lav.

Plantens potentiale eksuderer

Professor Kronzucker begyndte først at studere, hvordan planteeksudater interagerer med jordens nitrogenkemi i Canadas skovtræer. Men han er siden blevet mere interesseret i den måde, denne interaktion fungerer på med verdens store afgrødeplanter.

Sidste år offentliggjorde hans gruppe deres forskning i planteeksudater fra ris.

"Ris fodrer tre milliarder mennesker, men det var ikke blevet undersøgt for dets planteeksudater, "siger professor Kronzucker.

De fandt ud af, at alle risstammer, de testede, havde ekssudater, der kunne påvirke jordens kvælstof.

"Dette er et paradigmeskifte. Uanset hvor vi ser, finder vi noget, "siger professor Kronzucker.

Holdet gik derefter i gang med at gennemgå alle eksisterende undersøgelser af planteeksudater i ris, hvede og majs. De var især interesserede i kemikalier, der specifikt hæmmer nitrifikation, processen, der gør ammoniak til nitrat.

Dette værk er udgivet i Naturplanter .

De fandt ud af, at meget lidt er kendt om disse biologiske nitrifikationshæmmere (BNI'er) i rodudskillelser fra hvede og majs, de to største globale afgrøder efter ris. Faktisk, man ved slet ikke noget om BNI i majs.

Fra hans erfaring med ris, Professor Kronzucker tror, ​​at disse ekssudater findes i hvede og majs, vi skal bare lede efter dem.

Når vi får en bedre forståelse af, hvordan planter taler til jorden, disse opdagelser kan føre til nye landbrugsteknikker, kunstige jordtilsætningsstoffer, eller genetisk modifikation for at producere afgrødestammer, der kan begrænse nitrogentab. Imidlertid, Professor Kronzucker siger, at der er "et enormt potentiale" i blot at screene eksisterende sorter af ris, hvede og majs til "nitrogen -superstjerner".

"Hvis du gør screeningsjobbet godt med den slags genotyper, der findes, du behøver ikke se på genetisk modifikation, " han siger.

En ny grøn revolution

Professor Kronzucker er ikke overrasket over, at der roder rod fra ris, hvede og majs er så dårligt forstået. I udviklede lande, nitrogengødning er relativt billig, og der har været lidt incitament for landmændene til at bruge tid eller kræfter på at reducere deres brug af gødning. Derfor, der har været lidt incitament, eller finansiering, for forskning, der kan hjælpe med dette. Professor Kronzucker mener, at dette vil ændre sig.

"Nu har vi carbonkapper - vi har måder at reducere kulstofemissioner på. Vi har brug for lignende måder at reducere kvælstofemissioner på. God praksis bør belønnes, og dårlig praksis bør straffes. "

Han håber, at dette vil føre til en ny grøn revolution.

"Siden begyndelsen af ​​den grønne revolution i 1960'erne har vi oplevet fænomenal succes i udbytte. Men fordi gødning var så let tilgængelig, de fleste sorter blev udviklet i systemer med højt nitrogen og højt fosfor, ikke under næringsstofbegrænsning.

"Nu er der et skift til kultivarer, der er næringsstofeffektive. I nogle dele af planeten gør landmændene dette med nødvendighed, de har ikke noget valg. I Afrika er det typisk at arbejde under næringsbegrænsede forhold. "

Professor Kronzucker siger, at steder som Afrika er, hvor "nitrogen -superstjernerne" findes.

"Disse steder er der en masse skatte, som landmænd har valgt."